Cellen scheiden pakketten op nanoschaal af, exosomen genaamd, die belangrijke berichten van het ene deel van het lichaam naar het andere overbrengen. Wetenschappers van MIT en andere instellingen hebben nu een manier bedacht om deze berichten te onderscheppen, die kunnen worden gebruikt om problemen zoals kanker of foetale afwijkingen te diagnosticeren.

Hun nieuwe apparaat gebruikt een combinatie van microfluïdica en geluidsgolven om deze exosomen uit bloed te isoleren. De onderzoekers hopen deze technologie op te nemen in een draagbaar apparaat dat bloedmonsters van patiënten kan analyseren voor een snelle diagnose, zonder de omslachtige en tijdrovende ultracentrifugatiemethode die tegenwoordig algemeen wordt gebruikt.

"Deze exosomen bevatten vaak specifieke moleculen die kenmerkend zijn voor bepaalde afwijkingen. Als je ze isoleert uit bloed, je kunt biologische analyses doen en zien wat ze onthullen, " zegt Ming Dao, een hoofdonderzoeker bij het Department of Materials Science and Engineering van MIT en een senior auteur van de studie, die verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences de week van 18 september.

Tot de senior auteurs van het artikel behoren ook Subra Suresh, president-kandidaat van de Nanyang Technological University in Singapore, MIT's Vannevar Bush hoogleraar Engineering Emeritus, en voormalig decaan van engineering aan het MIT; Tony Jun Huang, een professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University; en Yoel Sadovski, directeur van het Magee-Women's Research Institute. De hoofdauteur van het artikel is Duke-afgestudeerde student Mengxi Wu.

Sorteren met geluid

In 2014, hetzelfde team van onderzoekers meldde eerst dat ze cellen konden scheiden door ze bloot te stellen aan geluidsgolven terwijl ze door een klein kanaal stroomden. Deze techniek biedt een zachter alternatief voor andere celsorteringstechnologieën, die vereisen dat de cellen worden gelabeld met chemicaliën of dat ze worden blootgesteld aan sterkere mechanische krachten die ze kunnen beschadigen.

Vanaf dat moment, de onderzoekers hebben aangetoond dat deze technologie kan worden gebruikt om zeldzame, circulerende tumorcellen uit een bloedmonster. In hun nieuwe studie ze gingen op pad om exosomen te vangen. Deze blaasjes, die gewoonlijk ongeveer 30 tot 150 nanometer in diameter zijn, kan eiwitten dragen, RNA, of andere belangrijke cellulaire moleculen.

Eerdere studies hebben aangetoond dat exosoominhoud kan dienen als markers voor aandoeningen zoals kanker, neurodegeneratieve ziekte, en nierziekte, onder andere. Echter, bestaande methoden voor het isoleren van exosomen vereisen centrifugatie op hoge snelheid, die bijna 24 uur duurt om uit te voeren, een grote machine gebruiken die niet draagbaar is. De hoge middelpuntvliedende krachten kunnen ook blaasjes beschadigen.

"Akoestische geluidsgolven zijn veel zachter, " zegt Dao. "Deze deeltjes ervaren de krachten slechts een seconde of minder terwijl ze worden gescheiden, dat is een groot voordeel."

Het originele akoestische celsorteerapparaat van de onderzoekers bestaat uit een microfluïdisch kanaal dat wordt blootgesteld aan twee gekantelde akoestische transducers. Wanneer geluidsgolven geproduceerd door deze transducers elkaar ontmoeten, ze vormen staande golven die een reeks drukknopen genereren. Elke keer dat een cel of deeltje door het kanaal stroomt en een knoop tegenkomt, de druk leidt de cel iets verder uit het midden. De afstand van celbeweging hangt af van de grootte en andere eigenschappen zoals samendrukbaarheid, waardoor het mogelijk wordt om cellen van verschillende grootte te scheiden tegen de tijd dat ze het einde van het kanaal bereiken.

Om exosomen te isoleren, de onderzoekers bouwden een apparaat met twee van dergelijke eenheden in tandem. In de eerste, geluidsgolven worden gebruikt om cellen en bloedplaatjes uit een bloedmonster te verwijderen. Zodra de cellen en bloedplaatjes zijn verwijderd, het monster komt in een tweede microfluïdische eenheid, die geluidsgolven met een hogere frequentie gebruikt om exosomen te scheiden van iets grotere extracellulaire blaasjes.

Met behulp van dit apparaat, het duurt minder dan 25 minuten om een ​​onverdund bloedmonster van 100 microliter te verwerken.

"De nieuwe techniek kan de nadelen van de huidige technologieën voor exosoomisolatie aanpakken, zoals een lange doorlooptijd, inconsistentie, lage opbrengst, besmetting, en onzekere exosome integriteit, " zegt Huang. "We willen het extraheren van hoogwaardige exosomen zo eenvoudig maken als het indrukken van een knop en het verkrijgen van de gewenste monsters binnen 10 minuten."

"Dit werk biedt een nieuwe manier om exosomen vast te leggen uit menselijke vloeistofmonsters door een unieke combinatie van microfluïdica en akoestiek, met behulp van ultramoderne microfabricagetechnologieën, "zegt Suresh. "Het vermogen van deze methode om deze blaasjes op nanoschaal te scheiden, in wezen zonder hun biologische of fysieke kenmerken te veranderen, biedt aansprekende mogelijkheden voor het ontwikkelen van nieuwe manieren om de menselijke gezondheid en het ontstaan ​​en verloop van ziekten te beoordelen."

Een duidelijke handtekening

Het onderzoeksteam is nu van plan deze technologie te gebruiken om biomarkers te zoeken die ziektetoestanden kunnen onthullen. Ze hebben een gezamenlijke subsidie ​​van de National Institutes of Health om te zoeken naar markers die verband houden met abnormale zwangerschap, en ze geloven dat de technologie ook kan worden gebruikt om andere gezondheidsproblemen te diagnosticeren.

"De nieuwe acoustofluidische technologie heeft het potentieel om het proces van isolatie van exosomen en andere extracellulaire blaasjes uit bloed en andere lichaamsvloeistoffen drastisch te verbeteren, Sadovsky zegt. "Dit zal een nieuwe dimensie toevoegen aan onderzoek naar 'vloeibare biopsie, ' en het klinische gebruik van extracellulaire blaasjes te vergemakkelijken om de fysiologie en gezondheid van moeilijk toegankelijke organen te informeren, zoals de placenta tijdens de zwangerschap bij de mens."