«Виртуальные столбы» разделяют и сортируют наночастицы на основе крови

Инженеры из Университета Дьюка разработали устройство, которое использует звуковые волны для разделения и сортировки мельчайших частиц, обнаруженных в крови, за считанные минуты. Технология основана на концепции под названием «виртуальные столпы» и может быть благом как для научных исследований, так и для медицинских приложений.

Крошечные биологические наночастицы, называемые «маленькими внеклеточными везикулами» (sEVs), высвобождаются из всех типов клеток в организме и, как полагают, играют большую роль в межклеточных коммуникациях и передаче болезней. Новая технология, получившая название «Акустическая наноразмерная сепарация с помощью резонанса волнового столба возбуждения» или сокращенно «ОТВЕТ», не только извлекает эти наночастицы из биологических жидкостей менее чем за 10 минут, но также сортирует их по размерным категориям, которые, как считается, играют разные биологические роли.

Результаты появились онлайн 23 ноября в журнале Научные достижения.

«Эти наночастицы обладают значительным потенциалом в медицинской диагностике и лечении, но современные технологии их разделения и сортировки занимают несколько часов или дней, непостоянны, дают низкий выход или чистоту, страдают от загрязнения и иногда повреждают наночастицы», — сказал Тони Цзюнь Хуан. , заслуженный профессор машиностроения и материаловедения Университета Дьюка Уильяма Бевана.

«Мы хотим сделать извлечение и сортировку высококачественных электромобилей простым нажатием кнопки и получением нужных образцов быстрее, чем требуется, чтобы принять душ», — сказал Хуанг.

Недавние исследования показывают, что sEV состоят из нескольких подгрупп с различными размерами (например, менее 50 нанометров, от 60 до 80 нанометров и от 90 до 150 нанометров). Считается, что каждый размер имеет разные биологические свойства.

Недавнее открытие субпопуляций sEV взволновало исследователей из-за их потенциала революционизировать область неинвазивной диагностики, такой как раннее выявление рака и болезни Альцгеймера. Но частицы еще не нашли своего пути в клинических условиях.

Хуанг сказал, что это во многом связано с трудностями, связанными с разделением и изоляцией этих наноразмерных субпопуляций sEV. Чтобы справиться с этой задачей, Хуанг, его докторант Цзиньсинь Чжан и сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Гарварда и Исследовательского института женщин-маги разработали платформу ANSWER.

Устройство использует одну пару преобразователей для создания стоячей звуковой волны, которая окутывает узкий закрытый канал, заполненный жидкостью. Звуковая волна «просачивается» в центр жидкости через стенки канала и взаимодействует с исходной стоячей звуковой волной. При тщательном расчете толщины стенки, размера канала и звуковой частоты это взаимодействие создает резонанс, который образует «виртуальные столбы» вдоль центра канала.

Каждый из этих виртуальных столбов представляет собой область высокого давления в форме полуяйца. Когда частицы пытаются пересечь столбы, они отталкиваются к краям канала. И чем крупнее частицы, тем сильнее толчок. Настраивая ряд виртуальных столбов для создания различных сил, воздействующих на движущиеся наночастицы, исследователи могут точно сортировать их по размеру на различные группы, определяемые потребностями проводимых экспериментов.

«Технология фракционирования EV от ANSWER — это самая передовая возможность для точного фракционирования EV, и она значительно повлияет на горизонты диагностики EV, прогностики и жидкостной биопсии», — сказал Дэвид Вонг, директор Центра исследований онкологии полости рта/головы и шеи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

В новой статье исследователи демонстрируют, что их платформа ANSWER может успешно сортировать sEV на три подгруппы с точностью 96 % для наночастиц в большей части спектра и точностью 80 % для наименьшей. Они также проявляют гибкость в своей системе, регулируя количество группировок и диапазонов размеров с помощью простых обновлений параметров звуковой волны. Каждый из экспериментов занял всего 10 минут, тогда как другие методы, такие как ультрацентрифугирование, могут занять несколько часов или дней.

«Благодаря своей бесконтактной природе ANSWER предлагает биосовместимый подход к разделению биологических наночастиц». — сказал Чжан. «В отличие от методов механической фильтрации, которые имеют фиксированный диаметр отсечки, ANSWER предлагает настраиваемый подход к наноразмерному разделению, и диаметр отсечки можно точно изменить, изменяя входную акустическую мощность».

Двигаясь вперед, исследователи продолжат совершенствовать технологию ANSWER, чтобы она могла эффективно очищать другие биологически значимые наночастицы, такие как вирусы, антитела и белки.