Vägning av partiklar på attogramskalan

MIT-ingenjörer har utarbetat ett sätt att mäta massan av partiklar med en upplösning bättre än ett attogram - en miljondel av en biljondel av ett gram. 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, för att väga större partiklar, såsom celler. Detta system, känt som en suspenderad mikrokanalresonator (SMR), mäter partiklarnas massa när de strömmar genom en smal kanal.

Genom att krympa storleken på hela systemet kunde forskarna öka dess 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 nanopartiklar, säger Selim Olcum, postdoktor i Manalis labb och en av huvudförfattarna till en artikel som beskriver systemet i veckans nummer av de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Doktorand Nathan Cermak är också en huvudförfattare av tidningen och Manalis, en medlem av MIT:s Koch-institutet för integrativ cancerforskning , 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 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 har hans labb använt enheten till spåra celltillväxt över tid , mäta celldensitet , och mäta andra fysikaliska egenskaper, såsom styvhet .

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

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

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

I en tidigare studie byggde forskare i Manalis labb en 50-mikrons konsol - ungefär en tiondel av storleken på konsolen som används för att mäta celler. Det systemet, känt 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 tvärs över den är 1 mikron bred och 400 nanometer djup. Denna miniatyrisering gör systemet känsligare eftersom det ökar konsolens vibrationsfrekvens. Vid högre frekvenser är fribäraren mer känslig för mindre förändringar i massan.

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

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

Partikelanalys

För att visa enhetens användbarhet för att analysera konstruerade nanopartiklar vägde MIT-teamet 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 avkastning, vilket är viktigt för att utveckla exakta nanostrukturer, som 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 tros spela en roll i 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 tillvägagångssätt finns för att isolera undergrupper av mikrovesiklar, kan SNR potentiellt tillhandahålla ett etikettfritt sätt att räkna upp mikrovesiklar som är oberoende av deras ytuttryck, säger Manalis.

Forskningen finansierades av U.S. Army Research Office genom Institute for Collaborative Biotechnologies, Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, National Science Foundation och National Cancer Institute.

Dölj