En ny enhet skapad vid University of Notre Dame använder en innovativ metod för att "lyssna in" på cellers konversationer.
Forskare har länge känt till att RNA (ribonukleinsyra) fungerar som en budbärare inuti celler och översätter DNA-information för att hjälpa celler att tillverka proteiner.
Men nyligen har forskare upptäckt att vissa typer av RNA vågar sig utanför cellväggen. Var och en av dessa strängar av "extracellulärt RNA", eller exRNA, vilar inuti en liten bärar"flaska" och flyter längs kroppsvätskor som ett mikroskopiskt meddelande i en flaska, och bär information till andra celler.
Den nya uppskattningen för exRNA väckte också en lockande möjlighet:Kan vi använda exRNA som ett sätt att "lyssna in" på cellers konversationer?
"Dessa extracellulära RNA är en guldgruva av information", säger Hsueh-Chia Chang, Bayer professor i kemi och biomolekylär teknik vid University of Notre Dame. "De kan bära på de tidiga varningstecknen på cancer, hjärtsjukdomar, HIV och andra livshotande tillstånd."
Chang, en expert på nanofluidik, förklarar att diagnostisering av en sjukdom med exRNA inte bara kan visa sig vara effektivare utan också snabbare och billigare än befintliga metoder, eftersom det finns tillräckligt med exRNA i ett litet prov av blod eller annan kroppsvätska för att signalera närvaron av många sjukdomar.
Men att fånga upp och tolka exRNA-meddelanden har varit en svår utmaning. Många labb har försökt filtrera dem från prover av blod eller andra kroppsvätskor. Många andra har använt avancerade centrifuger för att isolera exRNA. Dessa metoder har haft liten framgång av en enkel anledning:De olika typerna av "flaskor" som bär exRNA-meddelanden överlappar varandra i storlek och vikt.
Även de mest avancerade filtren och centrifugerna lämnar många bärare ihoprörda. Labs som använder dessa metoder måste lägga till ytterligare steg där de lägger till kemikalier eller små magnetiska partiklar för att ytterligare sortera bärarna i diskreta grupper.
För fyra år sedan beslutade Chang och ett team av forskare vid Notre Dame att prova ett radikalt nytt tillvägagångssätt, och deras idé fick stöd från Common Fund of the National Institutes of Health, som väljer ut lovande "högrisk, innovativa strävanden med potential för extraordinära effekter."
Chang fick sällskap av tre andra Notre Dame-fakultetsmedlemmar:Crislyn D'Souza-Schorey, Morris Pollard-professorn i biologiska vetenskaper; David Go, vice VD och biträdande provost för akademisk strategi och Viola D. Hank professor i flyg- och maskinteknik; och Satyajyoti Senapati, forskningsdocent vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik. Postdoktor Himani Sharma fungerade som projektledare, och kemi- och biomolekylär ingenjörsstudent Vivek Yadav hjälpte till att genomföra forskningen.
I en studie publicerad i ACS Nano , Sharma, Chang och deras kollegor beskriver den banbrytande enheten som blev resultatet av deras forskning.
Den nya tekniken använder en kombination av pH (surhet/basicitet) och elektrisk laddning för att separera bärarna. Idén bygger på det faktum att även om bärarna överlappar varandra i storlek och vikt, har varje typ en distinkt "isoelektrisk punkt" - pH, eller nivån av surhet/basicitet, vid vilken den inte har någon positiv eller negativ laddning.
Enheten integrerar flera befintliga teknologier som utvecklats vid Notre Dame och passar snyggt i handflatan.
Flödande genom mitten av enheten är vad som ser ut som en enkel ström av vatten. Men det är något speciellt med bäcken som inte syns för blotta ögat. På vänster sida är vattnet mycket surt, med ett pH ungefär som ett glas grapefruktjuice. På andra sidan bäcken är vattnet mycket basiskt, med ett pH som liknar en flaska ammoniak.
En speciell egenskap hos enheten är inte bara det faktum att den har en pH-gradient i strömmen utan också hur den uppnår den gradienten. Tekniken kan generera gradienten utan tillsats av några kemikalier, vilket gör den billigare, mer miljövänlig och effektivare att köra än design som är beroende av tillsatta syror och baser.
Gradienten kommer inte från en kemikalie utan från ett dubbelsidigt membran som drivs av ett specialdesignat chip. Membranet delar vattnet i två joner (H + och OH - ) och lägger till en annan sorts jon till varje sida av strömmen. Ena sidan av membranet frigör sura hydroniumjoner och den andra storleken frigör basiska hydroxidjoner.
När de basiska och sura strömmarna flyter samman skapar de en pH-gradient precis som varma och kalla strömmar som flyter ihop skulle bilda varma och kalla sidor med en temperaturgradient genom mitten av strömmen. Teamet använde de två enheterna som kördes parallellt för att välja pH-intervallet som krävs för bärarseparation och optimerade processen med hjälp av maskininlärning.
pH-gradienten uppnådde vad filter och centrifuger inte kunde:Den fick exRNA-bärarna som flöt i strömmen att sortera sig som ljusfärger som passerade genom ett prisma. De olika typerna av bärare bildade linjer längs sina isoelektriska punkter där de lätt kunde flyta ut i separata utlopp.
Tack vare den nya metoden kunde forskargruppen generera mycket rena prover (upp till 97 % rena) med mindre än en milliliter blodplasma, saliv eller urin. Processen var också blixtsnabb jämfört med nuvarande metoder. Medan de bästa befintliga teknologierna tar ungefär en dag att uppnå separation, kunde Notre Dame-teamet sortera sitt prov heltäckande på bara en halvtimme.
"Vi har ansökt om ett patent och hoppas snart att tekniken kommer att kommersialiseras, så att den kan hjälpa till att förbättra diagnoser av cancer och andra sjukdomar", säger Sharma, som vann flera priser för sitt arbete med studien från Notre Dames Harper Cancer Research Institutet.
"Icke-smittsamma sjukdomar är ansvariga för mer än 70% av dödsfallen över hela världen, och hjärt-kärlsjukdomar och cancer är ansvariga för det mesta av det antalet," sa Sharma. "Vår teknik visar en väg till att förbättra sättet som läkare diagnostiserar dessa sjukdomar på, och det kan rädda ett enormt antal liv."
Mer information: Himani Sharma et al, A Scalable High-Throughput Isoelectric Fractionation Platform for Extracellular Nanocarriers:Comprehensive and Bias-Free Isolation of Ribonucleoproteins from Plasma, Urine, and Saliv, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av University of Notre Dame
