IBM-forskare har utvecklat en ny lab-on-a-chip-teknik som kan, för första gången, separera biologiska partiklar på nanoskala och skulle kunna göra det möjligt för läkare att upptäcka sjukdomar som cancer innan symtom uppträder.

Som rapporterats i dagstidningen Naturens nanoteknik , IBM-teamets resultat visar storleksbaserad separation av biopartiklar ner till 20 nanometer (nm) i diameter, en skala som ger tillgång till viktiga partiklar som DNA, virus och exosomer. När separerat, Dessa partiklar kan potentiellt analyseras av läkare för att avslöja tecken på sjukdom redan innan patienter upplever några fysiska symtom och när resultatet av behandlingen är som mest positivt. Tills nu, den minsta biopartikeln som kunde separeras efter storlek med on-chip-teknologier var cirka 50 gånger eller större, till exempel, separation av cirkulerande tumörceller från andra biologiska komponenter.

IBM samarbetar med ett team från Icahn School of Medicine vid Mount Sinai för att fortsätta utvecklingen av denna lab-on-a-chip-teknologi och planerar att testa den på prostatacancer, den vanligaste cancerformen hos män i USA

I en tid präglad av precisionsmedicin, exosomer ses alltmer som användbara biomarkörer för diagnos och prognos av maligna tumörer. Exosomer frigörs i lättillgängliga kroppsvätskor som blod, saliv eller urin. De representerar ett värdefullt biomedicinskt verktyg eftersom de kan användas i samband med mindre invasiva flytande biopsier för att avslöja ursprunget och arten av en cancer.

IBM-teamet riktade in sig på exosomer med sin enhet eftersom befintlig teknik står inför utmaningar för att separera och rena exosomer i flytande biopsier. Exosomer varierar i storlek från 20-140nm och innehåller information om hälsan hos ursprungscellen som de utgjuts från. En bestämning av storleken, ytproteiner och nukleinsyralast som transporteras av exosomer kan ge viktig information om förekomsten och tillståndet för att utveckla cancer och andra sjukdomar.

IBM:s resultat visar att de kunde separera och detektera partiklar så små som 20 nm från mindre partiklar, att exosomer av storlek 100 nm och större kunde separeras från mindre exosomer, och att separation kan ske trots diffusion, ett kännetecken för partikeldynamik i dessa små skalor. Med berget Sinai, teamet planerar att bekräfta att deras enhet kan plocka upp exosomer med cancerspecifika biomarkörer från patientens flytande biopsier.

"Förmågan att sortera och berika biomarkörer i nanoskala i chipbaserad teknik öppnar dörren till att förstå sjukdomar som cancer och virus som influensa eller Zika, sade Gustavo Stolovitzky, Programchef för Translational Systems Biology and Nanobiotechnology på IBM Research. "Vår lab-on-a-chip-enhet kan erbjuda en enkel, ett icke-invasivt och prisvärt alternativ för att potentiellt upptäcka och övervaka en sjukdom även i dess tidigaste skeden, långt innan fysiska symtom visar sig. Denna extra tid gör det möjligt för läkare att fatta mer välgrundade beslut och när prognosen för behandlingsalternativ är som mest positiv."

Med förmågan att sortera biopartiklar i nanoskala, Mount Sinai hoppas att IBM:s teknologi kan ge en ny metod för att avlyssna meddelanden från exosomer för cell-till-cell-kommunikation. Detta kan belysa viktiga frågor om sjukdomars biologi och bana väg för icke-invasiva och så småningom prisvärda diagnostiska verktyg. Att övervaka detta intercellulära samtal mer regelbundet kan göra det möjligt för medicinska experter att spåra en individs hälsotillstånd eller utveckling av en sjukdom.

"När vi ligger före sjukdomen kan vi vanligtvis ta itu med den bra, men om sjukdomen är före oss, resan är oftast mycket svårare. En av de viktiga utvecklingarna som vi försöker i detta samarbete är att ha grunden för att identifiera exosomsignaturer som kan finnas där mycket tidigt innan symtom uppträder eller innan en sjukdom förvärras, " sa Dr Carlos Cordon-Cardo, Professor och ordförande för Mount Sinai Health System Department of Pathology. "Genom att sammanföra Mount Sinais domänexpertis inom cancer och patologi med IBMs erfarenhet av systembiologi och dess senaste separationsteknologi i nanoskala, förhoppningen är att leta efter specifika, känsliga biomarkörer i exosomer som representerar en ny gräns för att erbjuda ledtrådar som kan innehålla svaret på om en person har cancer eller hur man behandlar den."

Sortering av biopartiklar i nanoskala

Lab-on-a-chip-teknologier har blivit ett otroligt användbart diagnostiskt verktyg för läkare eftersom de kan vara betydligt snabbare, portabla, lätt att använda och kräver mindre provvolym för att hjälpa till att upptäcka sjukdomar. Målet är att krympa till ett enda kiselchip alla processer som krävs för att analysera en sjukdom som normalt skulle utföras i ett fullskaligt biokemilabb.

Med hjälp av en teknik som kallas nanoskala deterministisk lateral förskjutning, eller nano-DLD, IBM-forskarna Dr. Joshua Smith och Dr. Benjamin Wunsch ledde utvecklingen av en lab-on-a-chip-teknologi som gör att ett vätskeprov kan passeras, i kontinuerligt flöde, genom ett kiselchip som innehåller en asymmetrisk pelaruppsättning. Denna array tillåter systemet att sortera ett mikroskopiskt vattenfall av nanopartiklar, separerar partiklar efter storlek ner till tiotals nanometers upplösning. IBM har redan skalat ner chipstorleken till 2 cm gånger 2 cm, samtidigt som utvecklingen fortsätter för att öka enhetstätheten för att förbättra funktionalitet och genomströmning.

Ungefär som hur en väg genom en liten tunnel bara tillåter mindre bilar att passera samtidigt som de tvingar större lastbilar att ta en omväg runt, nano-DLD använder en uppsättning pelare för att avleda större partiklar samtidigt som mindre partiklar kan strömma genom pelaruppsättningens luckor oförminskat, effektivt separera denna partikel-"trafik" efter storlek utan att störa flödet. Intressant, IBM-forskare märkte att nano-DLD-arrayer också kan dela en blandning av många olika partikelstorlekar i en spridning av strömmar, ungefär som ett prisma delar upp vitt ljus i olika färger. Den kontinuerliga flödeskaraktären hos denna teknik kringgår stop-and-go-batch-bearbetning som är typisk för konventionella separationstekniker.

Utnyttja IBM:s stora halvledarexpertis med dess växande kapacitet inom experimentell biologi, IBMs forskare använde tillverkningsbara kiselprocesser för att producera nano-DLD-arrayerna för deras lab-on-a-chip-enhet. Som en del av sin pågående strategi, IBM-forskare arbetar för att öka mångfalden av biopartiklar som kan separeras med sin enhet, och förbättra precisionen och specificiteten för verkliga kliniska tillämpningar.