MIT-ingenieurs hebben een manier bedacht om de massa van deeltjes te meten met een resolutie die beter is dan een attogram - een miljoenste van een biljoenste gram. Door deze kleine deeltjes te wegen, met inbegrip van zowel synthetische nanodeeltjes als biologische componenten van cellen, zou onderzoekers kunnen helpen hun samenstelling en functie beter te begrijpen.

Het systeem bouwt voort op een technologie die eerder is ontwikkeld door Scott Manalis, een MIT-professor biologische en werktuigbouwkunde, om grotere deeltjes te wegen, zoals cellen. Dit systeem, bekend als een zwevende microkanaalresonator (SMR), meet de massa van de deeltjes terwijl ze door een smal kanaal stromen.

Door de omvang van het hele systeem te verkleinen, de onderzoekers waren in staat om de resolutie te verhogen tot 0,85 attogrammen - meer dan een 30-voudige verbetering ten opzichte van de vorige generatie van het apparaat.

"Nu kunnen we kleine virussen wegen, extracellulaire blaasjes, en de meeste kunstmatige nanodeeltjes die worden gebruikt voor nanogeneeskunde, " zegt Selim Olcum, een postdoc in het laboratorium van Manalis en een van de hoofdauteurs van een paper die het systeem beschrijft in de uitgave van deze week van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Afgestudeerde student Nathan Cermak is ook een hoofdauteur van het artikel, en Manalis, een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, is de senior auteur van de krant. Onderzoekers van de laboratoria van MIT-professoren en Koch Institute-leden Angela Belcher en Sangeeta Bhatia droegen ook bij aan het onderzoek.

Een kleine sensor voor kleine deeltjes

Manalis ontwikkelde in 2007 voor het eerst het SMR-systeem om de massa van levende cellen te meten, evenals deeltjes zo klein als een femtogram (een quadriljoenste gram, of 1, 000 attogrammen). Vanaf dat moment, zijn lab heeft het apparaat gebruikt om de celgroei in de loop van de tijd te volgen, celdichtheid meten, en meet andere fysieke eigenschappen, zoals stijfheid.

De originele massasensor bestaat uit een met vloeistof gevuld microkanaal dat is geëtst in een kleine siliconen cantilever die trilt in een vacuümholte. Terwijl cellen of deeltjes door het kanaal stromen, een per keer, hun massa verandert enigszins de trillingsfrequentie van de cantilever. Uit die frequentieverandering kan de massa van het deeltje worden berekend.

Om het apparaat gevoelig te maken voor kleinere massa's, de onderzoekers moesten de grootte van de cantilever verkleinen, die zich gedraagt ​​als een duikplank, zegt Olcum. Wanneer een duiker stuitert aan het einde van een duikplank, het trilt met een zeer grote amplitude en lage frequentie. Als de duiker in het water duikt, het bord begint veel sneller te trillen omdat de totale massa van het bord aanzienlijk is gedaald.

Om kleinere massa's te meten, een kleinere "duikplank" is vereist. "Als je nanodeeltjes meet met een grote cantilever, het is alsof je een enorme duikplank hebt met een kleine vlieg erop. Als de vlieg eraf springt, je merkt geen verschil. Daarom moesten we hele kleine duikplanken maken, ' zegt Olcum.

In een eerdere studie, onderzoekers in het laboratorium van Manalis bouwden een cantilever van 50 micron - ongeveer een tiende van de cantilever die wordt gebruikt voor het meten van cellen. dat systeem, bekend als een zwevende nanokanaalresonator (SNR), was in staat om deeltjes zo licht als 77 attogrammen te wegen met een snelheid van een deeltje of twee per seconde.

De cantilever in de nieuwe versie van het SNR-apparaat is 22,5 micron lang, en het kanaal dat eroverheen loopt is 1 micron breed en 400 nanometer diep. Deze miniaturisering maakt het systeem gevoeliger omdat het de trillingsfrequentie van de cantilever verhoogt. Bij hogere frequenties, de cantilever reageert beter op kleinere veranderingen in massa.

De onderzoekers kregen nog een boost in resolutie door de bron voor de vibratie van de cantilever te veranderen van een elektrostatische naar een piëzo-elektrische excitatie, die een grotere amplitude produceert en, beurtelings, vermindert de impact van onechte trillingen die interfereren met het signaal dat ze proberen te meten.

Met dit systeem, de onderzoekers kunnen bijna 30 meten, 000 deeltjes in iets meer dan 90 minuten. "In een tijdsbestek van een seconde, we hebben vier of vijf deeltjes die er doorheen gaan, en we kunnen mogelijk de concentratie verhogen en deeltjes sneller doorlaten, ' zegt Cermak.

Deeltjesanalyse

Om het nut van het apparaat bij het analyseren van kunstmatige nanodeeltjes aan te tonen, het MIT-team woog nanodeeltjes gemaakt van DNA gebonden aan kleine gouden bollen, waarmee ze konden bepalen hoeveel gouden bollen aan elke DNA-origami-steiger waren gebonden. Die informatie kan worden gebruikt om de opbrengst te beoordelen, wat belangrijk is voor het ontwikkelen van nauwkeurige nanostructuren, zoals steigers voor nanodevices.

De onderzoekers testten het SNR-systeem ook op biologische nanodeeltjes die exosomen worden genoemd - blaasjes die eiwitten dragen, RNA, of andere moleculen die door cellen worden uitgescheiden - waarvan wordt aangenomen dat ze een rol spelen bij het signaleren tussen verre locaties in het lichaam.

Ze ontdekten dat exosomen die worden uitgescheiden door levercellen en fibroblasten (cellen die het bindweefsel vormen) verschillende profielen van massadistributie hadden, wat suggereert dat het mogelijk is om blaasjes te onderscheiden die afkomstig zijn van verschillende cellen en mogelijk verschillende biologische functies hebben.

De onderzoekers onderzoeken nu het gebruik van het SNR-apparaat om exosomen te detecteren in het bloed van patiënten met glioblastoom (GBM), een type hersenkanker. Dit type tumor scheidt grote hoeveelheden exosomen af, en het volgen van veranderingen in hun concentratie kan artsen helpen patiënten te volgen terwijl ze worden behandeld.

Glioblastoma-exosomen kunnen nu worden gedetecteerd door bloedmonsters te mengen met magnetische nanodeeltjes die zijn gecoat met antilichamen die binden aan markers die op blaasjesoppervlakken worden gevonden, maar de SNR zou een eenvoudigere test kunnen bieden.

"We zijn vooral enthousiast over het gebruik van de hoge precisie van de SNR om microvesicles in het bloed van GBM-patiënten te kwantificeren. Hoewel er op affiniteit gebaseerde benaderingen bestaan ​​voor het isoleren van subsets van microvesicles, de SNR zou mogelijk een labelvrije manier kunnen bieden om microvesicles op te sommen die onafhankelijk is van hun oppervlakte-expressie, ', zegt Manalis.