MIT-ingenjörer har utarbetat ett sätt att mäta massan av partiklar med en upplösning bättre än ett attogram - en miljondels biljondel av ett gram. Genom att väga dessa små partiklar, inklusive både syntetiska nanopartiklar och biologiska komponenter i celler, kan hjälpa forskare att bättre förstå deras sammansättning och funktion.

Systemet bygger på en teknik som tidigare utvecklats av Scott Manalis, en MIT-professor i biologisk och maskinteknik, att väga större partiklar, såsom celler. Detta system, känd som en suspenderad mikrokanalresonator (SMR), mäter partiklarnas massa när de strömmar genom en smal kanal.

Genom att krympa storleken på hela systemet, forskarna kunde öka sin upplösning till 0,85 attogram - mer än en 30-faldig förbättring jämfört med föregående generation av enheten.

"Nu kan vi väga små virus, extracellulära vesiklar, och de flesta av de konstruerade nanopartiklarna som används för nanomedicin, " säger Selim Olcum, en postdoc i Manalis labb och en av huvudförfattarna till en artikel som beskriver systemet i veckans nummer av Proceedings of the National Academy of Sciences .

Doktorand Nathan Cermak är också en huvudförfattare till tidningen, och Manalis, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, är tidningens seniorförfattare. Forskare från MIT-professorernas och Koch-institutets medlemmar Angela Belcher och Sangeeta Bhatia bidrog också till studien.

En liten sensor för små partiklar

Manalis utvecklade först SMR-systemet 2007 för att mäta massan av levande celler, såväl som partiklar så små som ett femtogram (en kvadrilliondel av ett gram, eller 1, 000 attogram). Sedan dess, hans labb har använt enheten för att spåra celltillväxt över tid, mäta celltätheten, och mäta andra fysikaliska egenskaper, som stelhet.

Den ursprungliga masssensorn består av en vätskefylld mikrokanal etsad i en liten kiselkonsol som vibrerar inuti ett vakuumhålrum. När celler eller partiklar flödar genom kanalen, en i taget, deras massa förändrar konsolens vibrationsfrekvens något. Massan av partikeln kan beräknas från den förändringen i frekvens.

För att göra enheten känslig för mindre massor, forskarna var tvungna att krympa storleken på konsolen, som beter sig ungefär som en hoppbräda, säger Olcum. När en dykare studsar i slutet av en dykbräda, den vibrerar med mycket stor amplitud och låg frekvens. När dykaren störtar i vattnet, brädan börjar vibrera mycket snabbare eftersom brädans totala massa har sjunkit avsevärt.

För att mäta mindre massor, en mindre "diving board" krävs. "Om du mäter nanopartiklar med en stor cantilever, det är som att ha en stor hoppbräda med en liten fluga på. När flugan hoppar av, du märker ingen skillnad. Det var därför vi var tvungna att göra väldigt små hoppbrädor, säger Olcum.

I en tidigare studie, forskare i Manalis labb byggde en 50-mikron cantilever-ungefär en tiondel av storleken på cantilever som används för att mäta celler. Det systemet, känd som en suspenderad nanokanalresonator (SNR), kunde väga partiklar så lätta som 77 attogram med en hastighet av en partikel eller två per sekund.

Fribäraren i den nya versionen av SNR-enheten är 22,5 mikron lång, och kanalen som löper över den är 1 mikron bred och 400 nanometer djup. Denna miniatyrisering gör systemet mer känsligt eftersom det ökar fribärarens vibrationsfrekvens. Vid högre frekvenser, cantilever är mer mottaglig för mindre förändringar i massa.

Forskarna fick ytterligare ett uppsving i upplösning genom att byta källan för konsolens vibration från en elektrostatisk till en piezoelektrisk excitation, som ger en större amplitud och, i tur och ordning, minskar effekten av falska vibrationer som stör signalen de försöker mäta.

Med detta system, forskarna kan mäta nästan 30, 000 partiklar på lite mer än 90 minuter. "På loppet av en sekund, vi har fyra eller fem partiklar som går igenom, och vi skulle potentiellt kunna öka koncentrationen och få partiklar att gå igenom snabbare, "Säger Cermak.

Partikelanalys

För att demonstrera enhetens användbarhet vid analys av konstruerade nanopartiklar, MIT-teamet vägde nanopartiklar gjorda av DNA bundet till små guldsfärer, vilket gjorde det möjligt för dem att bestämma hur många guldsfärer som var bundna till varje DNA-origami-ställning. Den informationen kan användas för att bedöma avkastningen, vilket är viktigt för att utveckla exakta nanostrukturer, såsom ställningar för nanoenheter.

Forskarna testade också SNR-systemet på biologiska nanopartiklar som kallas exosomer - vesiklar som bär proteiner, RNA, eller andra molekyler som utsöndras av celler - som antas spela en roll vid signalering mellan avlägsna platser i kroppen.

De fann att exosomer som utsöndras av leverceller och fibroblaster (celler som utgör bindväv) hade olika profiler av massfördelning, vilket tyder på att det kan vara möjligt att särskilja vesiklar som härstammar från olika celler och kan ha olika biologiska funktioner.

Forskarna undersöker nu att använda SNR-enheten för att upptäcka exosomer i blodet hos patienter med glioblastom (GBM), en typ av hjärncancer. Denna typ av tumör utsöndrar stora mängder exosomer, och att spåra förändringar i deras koncentration kan hjälpa läkare att övervaka patienter när de behandlas.

Glioblastom exosomer kan nu detekteras genom att blanda blodprover med magnetiska nanopartiklar belagda med antikroppar som binder till markörer som finns på vesikelytor, men SNR skulle kunna ge ett enklare test.

"Vi är särskilt glada över att använda den höga precisionen hos SNR för att kvantifiera mikrovesiklar i blodet hos GBM-patienter. Även om affinitetsbaserade metoder finns för att isolera undergrupper av mikrovesiklar, SNR skulle potentiellt kunna tillhandahålla ett märkningsfritt sätt att räkna upp mikrovesiklar som är oberoende av deras ytuttryck, " säger Manalis.