Капля воды, вращающаяся звуковыми экранами, помогает выявить рак толстой кишки

Инженеры-механики из Университета Дьюка разработали новый тип диагностической платформы, которая использует звуковые волны для вращения отдельной капли воды со скоростью до 6000 оборотов в минуту. Эти скорости отделяют мельчайшие биологические частицы внутри образцов, чтобы обеспечить новую диагностику на основе экзосом.

Очень легкий диск, помещенный на вершину вращающейся капли, имеет протравленные каналы, которые оснащены звездообразными наночастицами, предназначенными для обеспечения безметочного обнаружения конкретных биочастиц, связанных с заболеванием, называемых экзосомами. Этот метод намного более эффективен, чем нынешние подходы, требует меньше времени и объема образца, нанося при этом меньший ущерб деликатным экзосомам.

Экзосомы высвобождаются клетками и несут специфические для клеток грузы белков, липидов и генетических материалов и могут избирательно поглощаться другими клетками в качестве средства связи. Их специфический состав показал потенциал для использования в неинвазивной диагностике.

По сравнению с громоздкими машинами стоимостью более 100 000 долларов, которые в настоящее время изолируют эти биомаркеры, этот метод может позволить использовать новые приложения в местах оказания медицинской помощи, начиная от прецизионных биоанализов и заканчивая диагностикой рака.

Исследование появится онлайн 8 марта в журнале. Достижения науки.

«Самый распространенный способ разделения экзосом — ультразвуковое центрифугирование, которое занимает не менее восьми часов, требует больших объемов выборки и часто повреждает экзосомы», — сказал Тай Накин, доктор философии. студент, работающий в лаборатории Тони Цзюнь Хуанга, заслуженного профессора машиностроения и материаловедения Уильяма Бевана в Университете Дьюка. «У всех других методов также есть свои проблемы, такие как низкая чистота или низкий выход. Наши первоначальные демонстрации, похоже, открывают путь к лучшему решению».

В основе устройства лежит капля воды, помещенная в кольцо полидиметилсилоксана, типа кремния, обычно используемого в микрофлюидных технологиях, который ограничивает границы воды и удерживает ее на месте. Затем исследователи разместили генераторы звуковых волн на каждой стороне устройства и наклонили их так, чтобы звуковые волны проходили через нижележащую платформу и попадали в каплю.

Генераторы звуковых волн создают поверхностные акустические волны, которые толкают каплю по бокам, как Дональд Дак, которого сносит гигантская пара динамиков. При достаточно высокой мощности капля стабилизируется и вращается тысячи раз в минуту.

«Мы увеличили скорость вращения бумаги до 6000 об/мин, но после этого капля начинает наклоняться и рискует выплюнуть воду и быть раздавленной диском, находящимся сверху», — сказал Накин.

Световой диск, расположенный сверху, имеет четыре канала, выгравированные на его поверхности. Быстрое вращение заставляет экзосомы мигрировать к концам каналов, в то время как более мелкие белки и другие загрязнения остаются позади.

Чтобы обнаружить наличие специфических биомаркеров, исследователи обратились к технологии, разработанной Туаном Во-Динь, заслуженным профессором биомедицинской инженерии и профессором химии Р. Юджином и Сьюзи Э. Гудсон в Университете Дьюка.

Его подход привязывает зонды ДНК, получившие название «обратные молекулярные стражи», к точкам звездчатых наночастиц золота. Хотя эти привязи естественным образом хотят скручиваться сами по себе, их удерживает прямо сегмент ДНК, предназначенный для связывания с целевой микроРНК, на которую тестируется. Когда эта микроРНК попадает на свой экзосомный носитель, она прилипает к ДНК и удаляет ее, позволяя привязи скручиваться и приводить молекулу-метку в тесный контакт с нанозвездой.

Под воздействием лазера эта молекула-метка излучает свет, называемый рамановским сигналом, который обычно очень слабый. Но форма и состав нанозвезд усиливают рамановские сигналы в несколько миллионов раз, что облегчает их обнаружение.

«Наша платформа обнаружила биомаркеры у пациентов с колоректальным раком, результаты которых сильно коррелируют с золотым стандартом для этого типа диагностики, но при этом требуется гораздо меньше времени и усилий», — сказал Эйдан Каннинг, доктор философии. студент, работающий в лаборатории Во-Динь. «Это такой замечательный союз двух технологий».

Находясь еще на ранних стадиях, Накин и Каннинг сейчас думают о новых способах объединения этих платформ с другими достижениями для новых типов расследований или коммерциализации.

«Наша технология может различать раковые и контрольные группы с чувствительностью 95,8% и селективностью 100%», — сказал Хуанг. «Его потенциал огромен в фундаментальных биологических исследованиях, а также в ранней диагностике и мониторинге состояния здоровья рака, нейродегенеративных и других заболеваний».