Анализ крови с помощью звуковых волн может заменить некоторые биопсии тканей

Клетки выделяют наноразмерные пакеты — экзосомы, которые переносят важные сообщения из одной части тела в другую. Учёные из MIT и других институтов разработали способ перехвата этих сообщений, который можно использовать для диагностики таких проблем, как рак или аномалии развития плода.

Их новое устройство использует комбинацию микрофлюидики и звуковых волн для выделения этих экзосом из крови. Исследователи надеются интегрировать эту технологию в портативное устройство, которое могло бы анализировать образцы крови пациента для быстрой диагностики, без использования громоздкого и длительного метода ультрацентрифугирования, распространённого сегодня.

"Эти экзосомы часто содержат специфические молекулы, которые являются сигнатурой определённых аномалий. Если выделить их из крови, можно провести биологический анализ и увидеть, что они показывают", — говорит Минг Дао, ведущий научный сотрудник MIT и старший автор исследования, опубликованного в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сортировка звуком

В 2014 году эта же команда впервые сообщила, что может разделять клетки, подвергая их воздействию звуковых волн при протекании через крошечный канал. Эта техника предлагает более щадящую альтернативу другим технологиям сортировки клеток, которые требуют их химической метки или воздействия более сильных механических сил, способных их повредить.

В новом исследовании они поставили задачу захватить экзосомы. Эти везикулы, обычно диаметром от 30 до 150 нанометров, могут переносить белки, РНК или другие важные клеточные молекулы.

Содержимое экзосом может служить маркером для таких расстройств, как рак, нейродегенеративные и почечные заболевания. Однако существующие методы выделения экзосом требуют высокоскоростного центрифугирования, которое занимает почти 24 часа, с использованием большого непортативного оборудования. Высокие центробежные силы также могут повредить везикулы.

"Акустические звуковые волны гораздо мягче. Эти частицы испытывают силы всего секунду или меньше во время разделения, что является большим преимуществом", — говорит Дао.

Как работает устройство

Оригинальное акустическое устройство для сортировки клеток состоит из микрофлюидного канала, на который воздействуют два наклонных акустических преобразователя. Когда звуковые волны сталкиваются, они образуют стоячие волны, создающие серию узлов давления. Когда клетка или частица сталкивается с узлом, давление немного смещает её от центра. Степень смещения зависит от размера и других свойств, таких как сжимаемость, что позволяет разделять клетки разного размера к моменту достижения ими конца канала.

Для выделения экзосом исследователи построили устройство с двумя такими последовательными модулями:

1. В первом звуковые волны удаляют клетки и тромбоциты из образца крови.
2. После их удаления образец попадает во второй микрофлюидный модуль, который использует звуковые волны более высокой частоты для отделения экзосом от немного более крупных внеклеточных везикул.

Используя это устройство, обработка 100-микролитрового неразбавленного образца крови занимает менее 25 минут.

"Новая технология может устранить недостатки текущих методов выделения экзосом, такие как длительное время обработки, нестабильность, низкий выход, загрязнение и неопределённая целостность экзосом", — говорит Тони Джун Хуан. — "Мы хотим сделать выделение высококачественных экзосом таким же простым, как нажатие кнопки и получение нужных образцов в течение 10 минут".

Планы на будущее

Исследовательская группа планирует использовать эту технологию для поиска биомаркеров, указывающих на заболевания. У них есть совместный грант от Национальных институтов здоровья (NIH) на поиск маркеров, связанных с патологией беременности. Они считают, что технология также может быть использована для диагностики других состояний здоровья.

"Новая акустофлюидная технология имеет потенциал кардинально улучшить процесс выделения экзосом и других внеклеточных везикул из крови и других биологических жидкостей", — говорит Йоэл Садовски. — "Это добавит новое измерение в исследования "жидкой биопсии" и облегчит клиническое использование внеклеточных везикул для получения информации о физиологии и здоровье органов, к которым трудно получить доступ, таких как плацента во время беременности человека".