Los científicos de IBM han desarrollado una nueva tecnología de laboratorio en un chip que puede, por primera vez, separar las partículas biológicas a nanoescala y permitir a los médicos detectar enfermedades como el cáncer antes de que aparezcan los síntomas.

Como se informó hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los resultados del equipo de IBM muestran una separación basada en el tamaño de las biopartículas de hasta 20 nanómetros (nm) de diámetro. una escala que da acceso a partículas importantes como el ADN, virus y exosomas. Una vez separados, Los médicos pueden analizar potencialmente estas partículas para revelar signos de enfermedad incluso antes de que los pacientes experimenten algún síntoma físico y cuando el resultado del tratamiento sea más positivo. Hasta ahora, la biopartícula más pequeña que podía separarse por tamaño con tecnologías en chip era aproximadamente 50 veces o más, por ejemplo, separación de las células tumorales circulantes de otros componentes biológicos.

IBM está colaborando con un equipo de la Escuela de Medicina Icahn en Mount Sinai para continuar el desarrollo de esta tecnología de laboratorio en un chip y planea probarla en el cáncer de próstata. el cáncer más común en hombres en los EE. UU.

En la era de la medicina de precisión, Los exosomas se consideran cada vez más como biomarcadores útiles para el diagnóstico y pronóstico de tumores malignos. Los exosomas se liberan en fluidos corporales de fácil acceso, como sangre, saliva u orina. Representan una valiosa herramienta biomédica, ya que pueden usarse en el contexto de biopsias líquidas menos invasivas para revelar el origen y la naturaleza de un cáncer.

El equipo de IBM apuntó a los exosomas con su dispositivo, ya que las tecnologías existentes enfrentan desafíos para separar y purificar exosomas en biopsias líquidas. Los exosomas varían en tamaño de 20 a 140 nm y contienen información sobre la salud de la célula de origen de la que se desprenden. Una determinación del tamaño, Las proteínas de superficie y la carga de ácido nucleico transportada por los exosomas pueden proporcionar información esencial sobre la presencia y el estado del cáncer en desarrollo y otras enfermedades.

Los resultados de IBM muestran que podrían separar y detectar partículas tan pequeñas como 20 nm de partículas más pequeñas, que los exosomas de un tamaño de 100 nm y mayores podrían separarse de los exosomas más pequeños, y que la separación puede tener lugar a pesar de la difusión, un sello distintivo de la dinámica de partículas a estas pequeñas escalas. Con el monte Sinaí, el equipo planea confirmar que su dispositivo es capaz de detectar exosomas con biomarcadores específicos del cáncer a partir de biopsias líquidas de pacientes.

"La capacidad de clasificar y enriquecer biomarcadores a nanoescala en tecnologías basadas en chips abre la puerta a la comprensión de enfermedades como el cáncer, así como virus como la gripe o el Zika, "dijo Gustavo Stolovitzky, Director del Programa de Biología de Sistemas Traslacionales y Nanobiotecnología en IBM Research. "Nuestro dispositivo de laboratorio en un chip podría ofrecer una Opción no invasiva y asequible para detectar y controlar potencialmente una enfermedad incluso en sus primeras etapas, mucho antes de que se manifiesten los síntomas físicos. Esta cantidad de tiempo adicional permite a los médicos tomar decisiones más informadas y cuándo el pronóstico de las opciones de tratamiento es más positivo ".

Con la capacidad de clasificar biopartículas a nanoescala, Mt. Sinai espera que la tecnología de IBM pueda proporcionar un nuevo método para escuchar a escondidas los mensajes transportados por los exosomas para las comunicaciones de célula a célula. Esto puede dilucidar cuestiones importantes sobre la biología de las enfermedades y allanar el camino hacia herramientas de diagnóstico en el lugar de atención no invasivas y eventualmente asequibles. Monitorear esta conversación intercelular con más regularidad podría permitir a los expertos médicos rastrear el estado de salud de un individuo o la progresión de una enfermedad.

"Cuando nos adelantamos a la enfermedad, por lo general podemos abordarla bien; pero si la enfermedad está por delante de nosotros, el viaje suele ser mucho más difícil. Uno de los avances importantes que estamos intentando en esta colaboración es tener los fundamentos básicos para identificar las firmas de exosomas que pueden estar allí muy temprano antes de que aparezcan los síntomas o antes de que una enfermedad empeore. "dijo el Dr. Carlos Cordon-Cardo, Profesor y presidente del Departamento de Patología del Sistema de Salud Mount Sinai. "Al reunir la experiencia del dominio de Mount Sinai en cáncer y patología con la experiencia en biología de sistemas de IBM y su última tecnología de separación a nanoescala, la esperanza es buscar específicos, biomarcadores sensibles en exosomas que representan una nueva frontera para ofrecer pistas que podrían contener la respuesta a si una persona tiene cáncer o cómo tratarlo ".

Clasificación de biopartículas a nanoescala

Las tecnologías de laboratorio en un chip se han convertido en una herramienta de diagnóstico increíblemente útil para los médicos, ya que pueden ser significativamente más rápidas. portátil, fácil de usar y requiere menos volumen de muestra para ayudar a detectar enfermedades. El objetivo es reducir a un solo chip de silicio todos los procesos necesarios para analizar una enfermedad que normalmente se llevaría a cabo en un laboratorio de bioquímica a gran escala.

Usando una tecnología llamada desplazamiento lateral determinista a nanoescala, o nano-DLD, Los científicos de IBM, el Dr. Joshua Smith y el Dr. Benjamin Wunsch, lideraron el desarrollo de una tecnología de laboratorio en un chip que permite pasar una muestra líquida, en flujo continuo, a través de un chip de silicio que contiene una matriz de pilares asimétrica. Esta matriz permite que el sistema clasifique una cascada microscópica de nanopartículas, separando partículas por tamaño hasta una resolución de decenas de nanómetros. IBM ya ha reducido el tamaño del chip a 2 cm por 2 cm, mientras continúa el desarrollo para aumentar la densidad del dispositivo para mejorar la funcionalidad y el rendimiento.

Al igual que una carretera a través de un túnel pequeño solo permite el paso de automóviles más pequeños y obliga a los camiones más grandes a desviarse, nano-DLD utiliza un conjunto de pilares para desviar partículas más grandes mientras permite que las partículas más pequeñas fluyan a través de los huecos de la matriz de pilares sin cesar, separando eficazmente este "tráfico" de partículas por tamaño sin interrumpir el flujo. Curiosamente, Los científicos de IBM notaron que las matrices nano-DLD también pueden dividir una mezcla de muchos tamaños de partículas diferentes en una variedad de corrientes, al igual que un prisma divide la luz blanca en diferentes colores. La naturaleza de flujo continuo de esta tecnología evita el procesamiento discontinuo por lotes típico de las técnicas de separación convencionales.

Aprovechando la vasta experiencia en semiconductores de IBM con sus crecientes capacidades en biología experimental, Los científicos de IBM utilizaron procesos de silicio fabricables para producir las matrices nano-DLD para su dispositivo de laboratorio en un chip. Como parte de su estrategia en curso, Los investigadores de IBM están trabajando para aumentar la diversidad de biopartículas que se pueden separar con su dispositivo, y mejorar la precisión y especificidad para aplicaciones clínicas del mundo real.