IBM-wetenschappers hebben een nieuwe lab-on-a-chip-technologie ontwikkeld die, Voor de eerste keer, biologische deeltjes op nanoschaal scheiden en artsen in staat kunnen stellen ziekten zoals kanker op te sporen voordat de symptomen optreden.

Zoals vandaag gemeld in het journaal Natuur Nanotechnologie , de resultaten van het IBM-team tonen op grootte gebaseerde scheiding van biodeeltjes tot 20 nanometer (nm) in diameter, een schaal die toegang geeft tot belangrijke deeltjes zoals DNA, virussen en exosomen. Eenmaal gescheiden, deze deeltjes kunnen potentieel door artsen worden geanalyseerd om tekenen van ziekte aan het licht te brengen, zelfs voordat patiënten fysieke symptomen ervaren en wanneer het resultaat van de behandeling het meest positief is. Tot nu, het kleinste biodeeltje dat op grootte kon worden gescheiden met on-chip-technologieën was ongeveer 50 keer of groter, bijvoorbeeld, scheiding van circulerende tumorcellen van andere biologische componenten.

IBM werkt samen met een team van de Icahn School of Medicine op Mount Sinai om de ontwikkeling van deze lab-on-a-chip-technologie voort te zetten en is van plan deze te testen op prostaatkanker, de meest voorkomende kanker bij mannen in de V.S.

In het tijdperk van precisiegeneeskunde, exosomen worden steeds meer gezien als bruikbare biomarkers voor de diagnose en prognose van kwaadaardige tumoren. Exosomen komen vrij in gemakkelijk toegankelijke lichaamsvloeistoffen zoals bloed, speeksel of urine. Ze vertegenwoordigen een kostbaar biomedisch hulpmiddel omdat ze kunnen worden gebruikt in de context van minder invasieve vloeibare biopsieën om de oorsprong en aard van kanker te onthullen.

Het IBM-team richtte zich met hun apparaat op exosomen, omdat bestaande technologieën worden geconfronteerd met uitdagingen voor het scheiden en zuiveren van exosomen in vloeibare biopsieën. Exosomen variëren in grootte van 20-140 nm en bevatten informatie over de gezondheid van de oorspronkelijke cel waaruit ze worden afgestoten. Een bepaling van de grootte, oppervlakte-eiwitten en nucleïnezuurladingen die door exosomen worden vervoerd, kunnen essentiële informatie geven over de aanwezigheid en de toestand van zich ontwikkelende kanker en andere ziekten.

IBM's resultaten laten zien dat ze deeltjes zo klein als 20 nm van kleinere deeltjes kunnen scheiden en detecteren. dat exosomen van 100 nm en groter kunnen worden gescheiden van kleinere exosomen, en dat scheiding kan plaatsvinden ondanks diffusie, een kenmerk van deeltjesdynamica op deze kleine schalen. Met de berg Sinaï, het team is van plan te bevestigen dat hun apparaat exosomen kan oppikken met kankerspecifieke biomarkers uit vloeibare biopsieën van patiënten.

"Het vermogen om biomarkers op nanoschaal te sorteren en te verrijken in op chips gebaseerde technologieën opent de deur naar het begrijpen van ziekten zoals kanker en virussen zoals griep of Zika, " zei Gustavo Stolovitzky, Programmadirecteur Translationele Systeembiologie en Nanobiotechnologie bij IBM Research. "Ons lab-on-a-chip-apparaat zou een eenvoudige, niet-invasieve en betaalbare optie om een ​​ziekte mogelijk zelfs in de vroegste stadia te detecteren en te volgen, lang voordat lichamelijke symptomen zich manifesteren. Deze extra hoeveelheid tijd stelt artsen in staat om beter geïnformeerde beslissingen te nemen en wanneer de prognose voor behandelingsopties het meest positief is."

Met de mogelijkheid om biodeeltjes op nanoschaal te sorteren, De berg Sinaï hoopt dat de technologie van IBM een nieuwe methode kan bieden om de berichten af ​​te luisteren die door exosomen worden gedragen voor cel-naar-cel communicatie. Dit kan belangrijke vragen over de biologie van ziekten ophelderen en de weg vrijmaken voor niet-invasieve en uiteindelijk betaalbare diagnostische hulpmiddelen op het punt van zorg. Door dit intercellulaire gesprek regelmatiger te volgen, kunnen medische experts de gezondheidstoestand of progressie van een ziekte van een persoon volgen.

"Als we de ziekte voor zijn, kunnen we ze meestal goed aanpakken; maar als de ziekte voor ons ligt, de reis is meestal veel moeilijker. Een van de belangrijke ontwikkelingen die we in deze samenwerking proberen, is om de basisgronden te hebben om exosoomsignaturen te identificeren die er al heel vroeg kunnen zijn voordat symptomen verschijnen of voordat een ziekte erger wordt, " zei Dr. Carlos Cordon-Cardo, Professor en voorzitter van de afdeling Pathologie van het Mount Sinai Health System. "Door de domeinexpertise van Mount Sinai op het gebied van kanker en pathologie samen te brengen met IBM's systeembiologische ervaring en de nieuwste scheidingstechnologie op nanoschaal, de hoop is om te zoeken naar specifieke, gevoelige biomarkers in exosomen die een nieuwe grens vormen voor het bieden van aanwijzingen die het antwoord kunnen bieden op de vraag of een persoon kanker heeft of hoe deze moet worden behandeld."

Biodeeltjes sorteren op nanoschaal

Lab-on-a-chip-technologieën zijn een ongelooflijk nuttig diagnostisch hulpmiddel voor artsen geworden, omdat ze aanzienlijk sneller kunnen zijn, draagbaar, gemakkelijk te gebruiken en vereisen minder monstervolume om ziekten te helpen opsporen. Het doel is om alle processen die nodig zijn om een ​​ziekte te analyseren, die normaal in een groot biochemisch laboratorium zouden worden uitgevoerd, tot een enkele siliciumchip te verkleinen.

Met behulp van een technologie genaamd deterministische laterale verplaatsing op nanoschaal, of nano-DLD, IBM-wetenschappers Dr. Joshua Smith en Dr. Benjamin Wunsch leidden de ontwikkeling van een lab-on-a-chip-technologie waarmee een vloeibaar monster kan worden doorgegeven, in continue stroom, via een siliciumchip met daarin een asymmetrische pilaararray. Met deze array kan het systeem een ​​microscopisch kleine waterval van nanodeeltjes sorteren, deeltjes scheiden op grootte tot een resolutie van tientallen nanometers. IBM heeft de chipgrootte al verkleind tot 2 cm bij 2 cm, terwijl de ontwikkeling wordt voortgezet om de apparaatdichtheid te vergroten om de functionaliteit en doorvoer te verbeteren.

Net zoals een weg door een kleine tunnel alleen kleinere auto's doorlaat en grotere vrachtwagens dwingt om om te rijden, nano-DLD gebruikt een reeks pilaren om grotere deeltjes af te buigen, terwijl kleinere deeltjes onverminderd door de openingen van de pilaararray kunnen stromen, het effectief scheiden van dit deeltje "verkeer" op grootte zonder de stroom te verstoren. interessant, IBM-wetenschappers merkten op dat nano-DLD-arrays ook een mengsel van veel verschillende deeltjesgroottes kunnen splitsen in een spreiding van stromen, net zoals een prisma wit licht in verschillende kleuren splitst. Het continue stroomkarakter van deze technologie omzeilt stop-and-go batchverwerking die typisch is voor conventionele scheidingstechnieken.

Gebruikmakend van IBM's uitgebreide expertise op het gebied van halfgeleiders met zijn groeiende mogelijkheden in experimentele biologie, IBM-wetenschappers gebruikten produceerbare siliciumprocessen om de nano-DLD-arrays voor hun lab-on-a-chip-apparaat te produceren. Als onderdeel van zijn doorlopende strategie, IBM-onderzoekers werken aan het vergroten van de diversiteit van biodeeltjes die met hun apparaat kunnen worden gescheiden, en het verbeteren van de precisie en specificiteit voor klinische toepassingen in de echte wereld.