Los ingenieros del MIT han ideado una forma de medir la masa de partículas con una resolución mejor que un attograma:una millonésima de billonésima de gramo. Pesando estas pequeñas partículas, incluyendo tanto nanopartículas sintéticas como componentes biológicos de las células, podría ayudar a los investigadores a comprender mejor su composición y función.

El sistema se basa en una tecnología desarrollada previamente por Scott Manalis, profesor de ingeniería biológica y mecánica del MIT, para pesar partículas más grandes, como las células. Este sistema, conocido como resonador de microcanal suspendido (SMR), mide la masa de las partículas a medida que fluyen a través de un canal estrecho.

Al reducir el tamaño de todo el sistema, los investigadores pudieron aumentar su resolución a 0,85 attogramos, una mejora de más de 30 veces con respecto a la generación anterior del dispositivo.

"Ahora podemos pesar los virus pequeños, vesículas extracelulares, y la mayoría de las nanopartículas diseñadas que se utilizan para la nanomedicina, "dice Selim Olcum, un postdoctorado en el laboratorio de Manalis y uno de los autores principales de un artículo que describe el sistema en la edición de esta semana del procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El estudiante de posgrado Nathan Cermak también es autor principal del artículo, y Manalis, miembro del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT, es el autor principal del artículo. Investigadores de los laboratorios de profesores del MIT y miembros del Instituto Koch, Angela Belcher y Sangeeta Bhatia, también contribuyeron al estudio.

Un pequeño sensor para partículas pequeñas

Manalis desarrolló por primera vez el sistema SMR en 2007 para medir la masa de células vivas, así como partículas tan pequeñas como un femtograma (una billonésima parte de un gramo, o 1, 000 attogramos). Desde entonces, su laboratorio ha utilizado el dispositivo para rastrear el crecimiento celular a lo largo del tiempo, medir la densidad celular, y medir otras propiedades físicas, como rigidez.

El sensor de masa original consiste en un microcanal lleno de fluido grabado en un diminuto voladizo de silicio que vibra dentro de una cavidad de vacío. A medida que las células o partículas fluyen a través del canal, uno a la vez, su masa altera ligeramente la frecuencia de vibración del voladizo. La masa de la partícula se puede calcular a partir de ese cambio de frecuencia.

Para hacer que el dispositivo sea sensible a masas más pequeñas, los investigadores tuvieron que reducir el tamaño del voladizo, que se comporta como un trampolín, Dice Olcum. Cuando un buzo rebota al final de un trampolín, vibra con una amplitud muy grande y baja frecuencia. Cuando el buceador se sumerge en el agua, la tabla comienza a vibrar mucho más rápido porque la masa total de la tabla se ha reducido considerablemente.

Para medir masas más pequeñas, Se requiere un "trampolín" más pequeño. "Si está midiendo nanopartículas con un gran voladizo, es como tener un trampolín enorme con una mosca diminuta. Cuando la mosca salta no notas ninguna diferencia. Por eso tuvimos que hacer trampolines muy pequeños, "Dice Olcum.

En un estudio anterior, Los investigadores del laboratorio de Manalis construyeron un voladizo de 50 micrones, aproximadamente una décima parte del tamaño del voladizo utilizado para las células de medición. Ese sistema, conocido como resonador nanocanal suspendido (SNR), fue capaz de pesar partículas tan ligeras como 77 attogramos a una velocidad de una partícula o dos por segundo.

El voladizo en la nueva versión del dispositivo SNR tiene 22,5 micrones de largo, y el canal que lo atraviesa tiene 1 micrón de ancho y 400 nanómetros de profundidad. Esta miniaturización hace que el sistema sea más sensible porque aumenta la frecuencia de vibración del voladizo. A frecuencias más altas, el voladizo responde mejor a pequeños cambios de masa.

Los investigadores obtuvieron otro impulso en la resolución al cambiar la fuente de vibración del voladizo de una excitación electrostática a una piezoeléctrica. que produce una mayor amplitud y, Sucesivamente, Disminuye el impacto de vibraciones falsas que interfieren con la señal que están tratando de medir.

Con este sistema, los investigadores pueden medir casi 30, 000 partículas en poco más de 90 minutos. "En el lapso de un segundo, tenemos cuatro o cinco partículas atravesando, y potencialmente podríamos aumentar la concentración y hacer que las partículas pasen más rápido, "Dice Cermak.

Análisis de partículas

Para demostrar la utilidad del dispositivo en el análisis de nanopartículas diseñadas, el equipo del MIT pesó nanopartículas hechas de ADN unido a pequeñas esferas de oro, lo que les permitió determinar cuántas esferas de oro estaban unidas a cada andamio de origami de ADN. Esa información se puede utilizar para evaluar el rendimiento, que es importante para desarrollar nanoestructuras precisas, como andamios para nanodispositivos.

Los investigadores también probaron el sistema SNR en nanopartículas biológicas llamadas exosomas, vesículas que transportan proteínas, ARN, u otras moléculas secretadas por las células, que se cree que desempeñan un papel en la señalización entre lugares distantes del cuerpo.

Descubrieron que los exosomas secretados por las células del hígado y los fibroblastos (células que componen el tejido conectivo) tenían diferentes perfiles de distribución de masa. sugiriendo que puede ser posible distinguir vesículas que se originan en diferentes células y pueden tener diferentes funciones biológicas.

Los investigadores ahora están investigando el uso del dispositivo SNR para detectar exosomas en la sangre de pacientes con glioblastoma (GBM), un tipo de cáncer de cerebro. Este tipo de tumor secreta grandes cantidades de exosomas, y el seguimiento de los cambios en su concentración podría ayudar a los médicos a controlar a los pacientes a medida que reciben tratamiento.

Los exosomas de glioblastoma ahora se pueden detectar mezclando muestras de sangre con nanopartículas magnéticas recubiertas con anticuerpos que se unen a los marcadores que se encuentran en las superficies de las vesículas. pero la SNR podría proporcionar una prueba más sencilla.

"Estamos particularmente entusiasmados con el uso de la alta precisión de la SNR para cuantificar microvesículas en la sangre de pacientes con GBM. Aunque existen enfoques basados ​​en afinidad para aislar subconjuntos de microvesículas, la SNR podría proporcionar un medio sin etiquetas para enumerar las microvesículas que es independiente de su expresión en la superficie, "Dice Manalis.