Крошечные биологические наночастицы, называемые "малыми внеклеточными пузырьками" (sEVs), высвобождаются из каждого типа клеток в организме и, как полагают, играют большую роль в межклеточной коммуникации и передаче заболеваний. Новая технология, получившая название акустического наномасштабного разделения с помощью резонанса возбуждения волнового столба, или сокращенно ANSWER, не только извлекает эти наночастицы из биожидкостей менее чем за 10 минут, но и сортирует их по категориям размеров, которые, как считается, играют определенную биологическую роль.

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, являются непоследовательными, дают низкий выход или чистоту, страдают от загрязнения и иногда повреждают наночастицы", - сказал Тони Джун Хуан, заслуженный профессор машиностроения и Материаловедение в университете Дьюка.

"Мы хотим сделать извлечение и сортировку высококачественных СЭВ такими же простыми, как нажатие кнопки и получение желаемых образцов быстрее, чем требуется для принятия душа", - сказал Хуан.

Недавние исследования показывают, что СЭВ состоят из нескольких подгрупп с различными размерами (например, меньше 50 нанометров, от 60 до 80 нанометров и от 90 до 150 нанометров). Считается, что каждый размер обладает различными биологическими свойствами.

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

Хуан сказал, что это в значительной степени связано с трудностями, связанными с разделением и изоляцией этих субпопуляций sEV наноразмерного размера. Чтобы справиться с этой задачей, Хуан, его докторант Джинсинь Чжан и сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Гарварда и Исследовательского института Magee-Womens разработали платформу ANSWER.

Устройство использует единственную пару преобразователей для генерации стоячей звуковой волны, которая охватывает узкий закрытый канал, заполненный жидкостью. Звуковая волна "просачивается" в центр жидкости через стенки канала и взаимодействует с исходной стоячей звуковой волной. При тщательном проектировании толщины стенки, размера канала и частоты звука это взаимодействие создает резонанс, который образует "виртуальные столбы" вдоль центра канала.

Каждый из этих виртуальных столбов, по сути, представляет собой область высокого давления в форме половины яйца. Когда частицы пытаются пересечь столбы, они выталкиваются к краям канала. И чем крупнее частицы, тем сильнее толчок. Настраивая серию виртуальных столбов для создания тонких воздействий на движущиеся наночастицы, исследователи могут точно сортировать их по размеру в различные группы, определяемые потребностями проводимых экспериментов.

"Технология фракционирования ANSWER EV - это самая передовая возможность для точного фракционирования EV, и она значительно повлияет на горизонт диагностики EV, прогнозирования 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 ОТВЕТОВ может успешно сортировать СЭВ на три подгруппы с точностью 96% для наночастиц на более крупном конце спектра и 80% для самых маленьких. Они также демонстрируют гибкость в своей системе, регулируя количество группировок и диапазоны размеров с помощью простых обновлений параметров звуковой волны. Каждый из экспериментов занял всего 10 минут, в то время 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 среза разделения, ANSWER предлагает настраиваемый подход к наномасштабному разделению, и диаметр среза может быть точно изменен путем изменения входной акустической мощности".

Продвигаясь вперед, исследователи продолжат совершенствовать технологию ANSWER, чтобы она могла быть эффективной при очистке других биологически значимых наночастиц, таких как вирусы, антитела и белки.

Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (UH3TR002978, R01HD103727, U18TR003778, R01GM132603, R01GM143439, R01GM135486, R01GM144417, R44AG063643) и Национальным научным фондом (CMMI-2104295, CMMI-2104526).