211service.com
Deeltjes wegen op de attogramschaal
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. Het wegen van deze kleine deeltjes, waaronder 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 mechanische engineering, om grotere deeltjes, zoals cellen, te wegen. 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, konden de onderzoekers de resolutie 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, extracellulaire blaasjes en de meeste kunstmatige nanodeeltjes die worden gebruikt voor nanogeneeskunde wegen, zegt Selim Olcum, een postdoc in het laboratorium van Manalis en een van de hoofdauteurs van een paper waarin het systeem wordt beschreven in de uitgave van deze week van de Proceedings van de National Academy of Sciences .
Afgestudeerde student Nathan Cermak is ook een hoofdauteur van de paper, en Manalis, een lid van MIT's Koch Instituut voor Integratief Kankeronderzoek , 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 het SMR-systeem voor het eerst in 2007 om de massa van levende cellen te meten, evenals deeltjes zo klein als een femtogram (een quadriljoenste gram of 1.000 attogram). Sindsdien heeft zijn lab het apparaat gebruikt om celgroei in de loop van de tijd volgen , celdichtheid meten , en andere fysieke eigenschappen meten, 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 één voor één door het kanaal stromen, verandert hun massa de trillingsfrequentie van de cantilever enigszins. Uit die frequentieverandering kan de massa van het deeltje worden berekend.
Om het apparaat gevoelig te maken voor kleinere massa's, moesten de onderzoekers de grootte van de cantilever verkleinen, die zich ongeveer als een duikplank gedraagt, zegt Olcum. Wanneer een duiker aan het einde van een duikplank stuitert, trilt deze met een zeer grote amplitude en lage frequentie. Wanneer de duiker in het water duikt, begint de plank veel sneller te trillen omdat de totale massa van de plank aanzienlijk is gedaald.
Voor het meten van kleinere massa's is een kleinere duikplank nodig. Als je nanodeeltjes meet met een grote cantilever, is het alsof je een enorme duikplank hebt met een kleine vlieg erop. Als de vlieg eraf springt, merk je geen verschil. Daarom moesten we hele kleine duikplanken maken, zegt Olcum.
In een eerdere studie bouwden onderzoekers in het laboratorium van Manalis een cantilever van 50 micron - ongeveer een tiende van de grootte 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 reageert de cantilever beter op kleinere veranderingen in massa.
De onderzoekers kregen nog een boost in resolutie door de bron voor de vibratie van de cantilever om te schakelen van een elektrostatische naar een piëzo-elektrische excitatie, wat een grotere amplitude produceert en op zijn beurt de impact van onechte trillingen die interfereren met het signaal dat ze proberen te meten, vermindert.
Met dit systeem kunnen de onderzoekers in iets meer dan 90 minuten bijna 30.000 deeltjes meten. Binnen een seconde hebben we vier of vijf deeltjes die er doorheen gaan, en we zouden de concentratie mogelijk kunnen verhogen en deeltjes sneller door laten gaan, zegt Cermak.
Deeltjesanalyse
Om het nut van het apparaat bij het analyseren van gemanipuleerde nanodeeltjes aan te tonen, woog het MIT-team nanodeeltjes gemaakt van DNA gebonden aan kleine gouden bollen, waardoor 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 precieze nanostructuren, zoals scaffolds voor nanodevices.
De onderzoekers testten het SNR-systeem ook op biologische nanodeeltjes die exosomen worden genoemd - blaasjes die eiwitten, RNA of andere moleculen dragen die door cellen worden uitgescheiden - waarvan wordt aangenomen dat ze een rol spelen bij de signalering 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 massaverdeling 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 hoe ze met het SNR-apparaat exosomen kunnen 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 het oppervlak van blaasjes 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 microvesikels in het bloed van GBM-patiënten te kwantificeren. Hoewel er op affiniteit gebaseerde benaderingen bestaan voor het isoleren van subsets van microvesicles, zou de SNR mogelijk een labelvrije manier kunnen bieden om microvesicles op te sommen die onafhankelijk is van hun oppervlakte-expressie, zegt Manalis.
Het onderzoek werd gefinancierd door het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger via het Institute for Collaborative Biotechnologies, het Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, de National Science Foundation en het National Cancer Institute.