Een nieuw apparaat gemaakt aan de Universiteit van Notre Dame maakt gebruik van een innovatieve methode om 'mee te luisteren' naar gesprekken van cellen.

Wetenschappers weten al lang dat RNA (ribonucleïnezuur) als boodschapper in cellen fungeert en DNA-informatie vertaalt om cellen te helpen eiwitten te maken.

Maar onlangs hebben wetenschappers ontdekt dat bepaalde soorten RNA zich buiten de celwand begeven. Elk van deze strengen van 'extracellulair RNA' of exRNA rust in een klein 'flesje' en stroomt langs lichaamsvloeistoffen als een microscopisch kleine boodschap in een fles, waarbij informatie naar andere cellen wordt overgebracht.

De nieuwe waardering voor exRNA bracht ook een verleidelijke mogelijkheid met zich mee:zouden we exRNA kunnen gebruiken als een manier om 'mee te luisteren' naar de gesprekken van cellen?

"Deze extracellulaire RNA's zijn een goudmijn aan informatie", zegt Hsueh-Chia Chang, Bayer-hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie aan de Universiteit van Notre Dame. "Ze kunnen de vroege waarschuwingssignalen van kanker, hartziekten, HIV en andere levensbedreigende aandoeningen met zich meedragen."

Chang, een expert op het gebied van nanofluïdica, legt uit dat het diagnosticeren van een ziekte met behulp van exRNA niet alleen effectiever zou kunnen zijn, maar ook sneller en goedkoper dan bestaande methoden, omdat er voldoende exRNA in een klein bloedmonster of een ander lichaamsvocht zit om de aanwezigheid van veel exRNA te signaleren. ziekten.

Maar het onderscheppen en interpreteren van exRNA-berichten was een moeilijke uitdaging. Veel laboratoria hebben geprobeerd ze te filteren uit bloedmonsters of andere lichaamsvloeistoffen. Vele anderen hebben geavanceerde centrifuges gebruikt om exRNA te isoleren. Deze methoden hebben om een ​​simpele reden weinig succes gehad:de verschillende soorten 'flessen' die exRNA-berichten bevatten, overlappen elkaar in grootte en gewicht.

Zelfs de meest geavanceerde filters en centrifuges laten veel dragers door elkaar liggen. Laboratoria die deze methoden gebruiken, moeten extra stappen toevoegen, waarbij ze chemicaliën of kleine magnetische deeltjes toevoegen om de dragers verder in discrete groepen te sorteren.

Vier jaar geleden besloten Chang en een team van onderzoekers van de Notre Dame een radicaal nieuwe aanpak te proberen, en hun idee kreeg steun van het Common Fund van de National Institutes of Health, dat veelbelovende ‘risicovolle, innovatieve inspanningen met het potentieel’ selecteert. voor buitengewone impact."

Chang werd vergezeld door drie andere faculteitsleden van de Notre Dame:Crislyn D'Souza-Schorey, de Morris Pollard hoogleraar biologische wetenschappen; David Go, vice-president en associate provoost voor academische strategie en de Viola D. Hank hoogleraar lucht- en ruimtevaarttechniek en werktuigbouwkunde; en Satyajyoti Senapati, universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie. Postdoctoraal collega Himani Sharma fungeerde als projectleider, en Vivek Yadav, afgestudeerd student chemische en biomoleculaire technologie, hielp bij de uitvoering van het onderzoek.

In een onderzoek gepubliceerd in ACS Nano , Sharma, Chang en hun collega's beschrijven het baanbrekende apparaat dat uit hun onderzoek voortkwam.

De nieuwe technologie maakt gebruik van een combinatie van pH (zuurgraad/basiciteit) en elektrische lading om de dragers te scheiden. Het idee is gebaseerd op het feit dat, hoewel de dragers elkaar qua grootte en gewicht overlappen, elk type een duidelijk 'iso-elektrisch punt' heeft:de pH, of het niveau van zuurgraad/basiciteit, waarbij het geen positieve of negatieve lading heeft.

Het apparaat integreert verschillende bestaande technologieën die zijn ontwikkeld door de Notre Dame en past netjes in de palm van de hand.

Door het midden van het apparaat stroomt wat lijkt op een simpele waterstroom. Maar er is iets bijzonders aan de beek dat niet met het blote oog zichtbaar is. Aan de linkerkant is het water zeer zuur, met een pH die ongeveer dezelfde is als die van een glas grapefruitsap. Aan de andere kant van de beek is het water zeer basisch, met een pH die vergelijkbaar is met die van een fles ammoniak.

Bijzonder aan het apparaat is niet alleen dat het een pH-gradiënt in de beek heeft, maar ook hoe het die gradiënt bereikt. De technologie kan de gradiënt genereren zonder toevoeging van chemicaliën, waardoor het goedkoper, milieuvriendelijker en efficiënter in gebruik is dan ontwerpen die afhankelijk zijn van toegevoegde zuren en basen.

Het verloop is niet afkomstig van een chemische stof, maar van een tweezijdig membraan, aangedreven door een speciaal ontworpen chip. Het membraan splitst het water in twee ionen (H ⁺ en OH ^- ) en voegt een ander soort ion toe aan elke kant van de stroom. Aan de ene kant van het membraan komen zure hydroniumionen vrij, terwijl aan de andere kant basische hydroxide-ionen vrijkomen.

Wanneer de basische en zure stromen samenvloeien, creëren ze een pH-gradiënt, net zoals warme en koude stromen die samenvloeien warme en koude kanten zouden vormen met een temperatuurgradiënt door het midden van de stroom. Het team gebruikte de twee parallel werkende apparaten om het pH-bereik te selecteren dat nodig was voor de scheiding van dragers en optimaliseerde het proces met behulp van machine learning.

De pH-gradiënt bereikte wat filters en centrifuges niet konden:het zorgde ervoor dat de exRNA-dragers die in de stroom dreven zichzelf sorteerden als kleuren van licht die door een prisma gingen. De verschillende soorten dragers vormden lijnen langs hun iso-elektrische punten waar ze gemakkelijk naar afzonderlijke uitgangen konden stromen.

Dankzij de nieuwe methode kon het onderzoeksteam zeer zuivere monsters genereren (tot 97% zuiver) met minder dan een milliliter bloedplasma, speeksel of urine. Het proces was bovendien razendsnel vergeleken met de huidige methoden. Terwijl de beste bestaande technologieën ongeveer een dag nodig hebben om scheiding te bereiken, kon het team van de Notre Dame hun monsters in slechts een half uur volledig sorteren.

"We hebben een patent aangevraagd en hopen binnenkort dat de technologie gecommercialiseerd zal worden, zodat deze de diagnoses van kanker en andere ziekten kan helpen verbeteren", zegt Sharma, die verschillende prijzen heeft gewonnen voor haar werk aan het onderzoek van Harper Cancer Research van de Notre Dame. Instituut.

"Niet-overdraagbare ziekten zijn verantwoordelijk voor meer dan 70% van de sterfgevallen wereldwijd, en hart- en vaatziekten en kanker zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van dat aantal," zei Sharma. "Onze technologie toont een manier om de manier te verbeteren waarop artsen deze ziekten diagnosticeren, en dat zou een enorm aantal levens kunnen redden."

Meer informatie: Himani Sharma et al, een schaalbaar iso-elektrisch fractioneringsplatform met hoge doorvoer voor extracellulaire nanodragers:uitgebreide en bias-vrije isolatie van ribonucleoproteïnen uit plasma, urine en speeksel, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Notre Dame