Celler utsöndrar paket i nanoskala som kallas exosomer som bär viktiga meddelanden från en del av kroppen till en annan. Forskare från MIT och andra institutioner har nu utarbetat ett sätt att fånga upp dessa meddelanden, som kan användas för att diagnostisera problem som cancer eller fosteravvikelser.

Deras nya enhet använder en kombination av mikrofluidik och ljudvågor för att isolera dessa exosomer från blod. Forskarna hoppas kunna införliva denna teknik i en bärbar enhet som kan analysera patientblodprover för snabb diagnos, utan att involvera den besvärliga och tidskrävande ultracentrifugeringsmetoden som vanligtvis används idag.

"Dessa exosomer innehåller ofta specifika molekyler som är en signatur för vissa abnormiteter. Om du isolerar dem från blod, du kan göra biologisk analys och se vad de avslöjar, säger Ming Dao, en huvudforskare vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik och en senior författare till studien, som visas i Proceedings of the National Academy of Sciences veckan den 18 sept.

Tidningens seniorförfattare inkluderar också Subra Suresh, nominerad president för Nanyang Technological University i Singapore, MIT:s Vannevar Bush professor i teknik emeritus, och en tidigare dekanus för ingenjörsvetenskap vid MIT; Tony Jun Huang, en professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University; och Yoel Sadovsky, direktör för Magee-Womens Research Institute. Tidningens huvudförfattare är Duke-studenten Mengxi Wu.

Sortering med ljud

Under 2014, samma team av forskare rapporterade först att de kunde separera celler genom att utsätta dem för ljudvågor när de flödade genom en liten kanal. Denna teknik erbjuder ett skonsammare alternativ till andra cellsorteringsteknologier, som kräver att cellerna märks med kemikalier eller att de utsätts för starkare mekaniska krafter som kan skada dem.

Sedan dess, forskarna har visat att denna teknik kan användas för att isolera sällsynta, cirkulerande tumörceller från ett blodprov. I deras nya studie, de satte sig för att fånga exosomer. Dessa vesiklar, som vanligtvis är cirka 30 till 150 nanometer i diameter, kan bära proteiner, RNA, eller andra viktiga cellulära molekyler.

Tidigare studier har visat att exosominnehåll kan fungera som markörer för sjukdomar som cancer, neurodegenerativ sjukdom, och njursjukdom, bland andra. Dock, befintliga metoder för att isolera exosomer kräver höghastighetscentrifugering, som tar nästan 24 timmar att utföra, använder en stor maskin som inte är bärbar. De höga centrifugalkrafterna kan också skada vesikler.

"Akustiska ljudvågor är mycket mildare, " säger Dao. "Dessa partiklar upplever krafterna i bara en sekund eller mindre när de separeras, vilket är en stor fördel."

Forskarnas ursprungliga akustiska cellsorteringsanordning består av en mikrofluidkanal som exponeras för två lutande akustiska givare. När ljudvågor som produceras av dessa givare möter varandra, de bildar stående vågor som genererar en serie trycknoder. Varje gång en cell eller partikel strömmar genom kanalen och möter en nod, trycket styr cellen lite längre bort från centrum. Avståndet för cellrörelse beror på storlek och andra egenskaper såsom kompressibilitet, gör det möjligt att separera celler av olika storlekar när de når slutet av kanalen.

För att isolera exosomer, forskarna byggde en enhet med två sådana enheter i tandem. I den första, ljudvågor används för att ta bort celler och blodplättar från ett blodprov. När cellerna och blodplättarna har tagits bort, provet går in i en andra mikrofluidisk enhet, som använder ljudvågor med högre frekvens för att separera exosomer från lite större extracellulära vesiklar.

Med den här enheten, det tar mindre än 25 minuter att behandla ett outspätt blodprov på 100 mikroliter.

"Den nya tekniken kan ta itu med nackdelarna med den nuvarande tekniken för exosomisolering, som lång handläggningstid, inkonsekvens, låg avkastning, förorening, och osäker exosom integritet, " säger Huang. "Vi vill göra det så enkelt att extrahera exosomer av hög kvalitet som att trycka på en knapp och få de önskade proverna inom 10 minuter."

"Detta arbete ger ett nytt sätt att fånga exosomer från mänskliga vätskeprover genom en unik kombination av mikrofluidik och akustik, använder den senaste mikrotillverkningstekniken, " Säger Suresh. "Förmågan hos den här metoden att separera dessa nanoskaliga vesiklar, i huvudsak utan att ändra deras biologiska eller fysiska egenskaper, erbjuder tilltalande möjligheter att utveckla nya sätt att bedöma människors hälsa såväl som uppkomsten och utvecklingen av sjukdomar."

En tydlig signatur

Forskargruppen planerar nu att använda denna teknik för att söka biomarkörer som kan avslöja sjukdomstillstånd. De har ett gemensamt anslag från National Institutes of Health för att leta efter markörer relaterade till onormal graviditet, och de tror att tekniken kan användas för att diagnostisera andra hälsotillstånd också.

"Den nya akustofluidiska teknologin har potential att dramatiskt förbättra processen för isolering av exosomer och andra extracellulära vesiklar från blod och andra kroppsvätskor, Sadovsky säger. "Detta kommer att tillföra en ny dimension till forskning om "vätskebiopsi, och underlätta den kliniska användningen av extracellulära vesiklar för att informera om fysiologi och hälsa hos organ som är svåra att komma åt, såsom moderkakan under mänsklig graviditet."