Un nuevo dispositivo creado en la Universidad de Notre Dame emplea un método innovador para "escuchar" las conversaciones de las células.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el ARN (ácido ribonucleico) actúa como mensajero dentro de las células, traduciendo la información del ADN para ayudar a las células a producir proteínas.

Pero recientemente, los científicos han descubierto que ciertos tipos de ARN se aventuran fuera de la pared celular. Cada una de estas hebras de "ARN extracelular", o exARN, descansa dentro de una pequeña "botella" portadora y fluye a lo largo de los fluidos corporales como un mensaje microscópico en una botella, llevando información a otras células.

La nueva apreciación del exRNA también planteó una posibilidad tentadora:¿podríamos utilizar el exRNA como una forma de "escuchar" las conversaciones de las células?

"Estos ARN extracelulares son una mina de oro de información", afirmó Hsueh-Chia Chang, profesor Bayer de Ingeniería Química y Biomolecular en la Universidad de Notre Dame. "Pueden ser portadores de señales tempranas de cáncer, enfermedades cardíacas, VIH y otras enfermedades potencialmente mortales".

Chang, experto en nanofluidos, explica que diagnosticar una enfermedad utilizando exRNA podría resultar no sólo más eficaz sino también más rápido y económico que los métodos existentes, ya que hay suficiente exRNA en una pequeña muestra de sangre u otro fluido corporal para señalar la presencia de muchos enfermedades.

Pero interceptar e interpretar mensajes de exRNA ha sido un desafío difícil. Muchos laboratorios han intentado filtrarlos a partir de muestras de sangre u otros fluidos corporales. Muchos otros han utilizado centrífugas avanzadas para aislar exRNA. Estos métodos han tenido poco éxito por una simple razón:los diferentes tipos de "botellas" que transportan mensajes de exRNA se superponen en tamaño y peso.

Incluso los filtros y centrífugas más avanzados dejan muchos transportadores desordenados. Los laboratorios que utilizan estos métodos tienen que agregar pasos adicionales en los que agregan productos químicos o pequeñas partículas magnéticas para clasificar aún más los portadores en grupos discretos.

Hace cuatro años, Chang y un equipo de investigadores de Notre Dame decidieron probar un enfoque radicalmente nuevo, y su idea recibió el apoyo del Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud, que selecciona prometedores "esfuerzos innovadores, de alto riesgo y con potencial". para un impacto extraordinario."

A Chang se unieron otros tres miembros de la facultad de Notre Dame:Crislyn D'Souza-Schorey, profesora Morris Pollard de Ciencias Biológicas; David Go, vicepresidente y rector asociado de estrategia académica y profesora Viola D. Hank de ingeniería aeroespacial y mecánica; y Satyajyoti Senapati, profesor asociado de investigación en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular. El becario postdoctoral Himani Sharma actuó como líder del proyecto, y el estudiante graduado en ingeniería química y biomolecular Vivek Yadav ayudó a realizar la investigación.

En un estudio publicado en ACS Nano , Sharma, Chang y sus colegas describen el dispositivo innovador que resultó de su investigación.

La nueva tecnología utiliza una combinación de pH (acidez/basicidad) y carga eléctrica para separar los portadores. La idea se basa en el hecho de que, aunque los portadores se superponen en tamaño y peso, cada tipo tiene un "punto isoeléctrico" distinto:el pH, o nivel de acidez/basicidad, en el que no tiene carga positiva o negativa.

El dispositivo integra varias tecnologías existentes desarrolladas en Notre Dame y cabe perfectamente en la palma de la mano.

Por el centro del dispositivo fluye lo que parece un simple chorro de agua. Pero hay algo especial en el arroyo que no es visible a simple vista. En el lado izquierdo, el agua es muy ácida, con un pH aproximadamente igual al de un vaso de jugo de toronja. Al otro lado del arroyo, el agua es muy básica, con un pH similar al de una botella de amoníaco.

Una característica especial del dispositivo no es sólo el hecho de que tiene un gradiente de pH en la corriente, sino también cómo logra ese gradiente. La tecnología es capaz de generar el gradiente sin agregar ningún producto químico, lo que la hace más barata, más ecológica y más eficiente de ejecutar que los diseños que dependen de ácidos y bases agregados.

El gradiente no proviene de una sustancia química sino de una membrana de dos caras impulsada por un chip especialmente diseñado. La membrana divide el agua en dos iones (H ⁺ y OH ^- ) y agrega un tipo diferente de ion a cada lado de la corriente. Un lado de la membrana libera iones de hidronio ácidos y el otro lado libera iones de hidróxido básicos.

Cuando las corrientes básica y ácida fluyen juntas, crean un gradiente de pH del mismo modo que las corrientes frías y calientes que fluyen juntas formarían lados fríos y calientes con un gradiente de temperatura en el medio de la corriente. El equipo utilizó los dos dispositivos funcionando en paralelo para seleccionar el rango de pH requerido para la separación de portadores y optimizó el proceso mediante aprendizaje automático.

El gradiente de pH logró lo que los filtros y las centrífugas no pudieron:provocó que los portadores de exARN que flotaban en la corriente se ordenaran como colores de luz que pasan a través de un prisma. Los diferentes tipos de portadores formaron líneas a lo largo de sus puntos isoeléctricos donde podían fluir fácilmente hacia salidas separadas.

Gracias al nuevo método, el equipo de investigación pudo generar muestras muy puras (hasta un 97% de pureza) utilizando menos de un mililitro de plasma sanguíneo, saliva u orina. El proceso también fue increíblemente rápido en comparación con los métodos actuales. Mientras que las mejores tecnologías existentes tardan alrededor de un día en lograr la separación, el equipo de Notre Dame pudo clasificar de manera integral su muestra en solo media hora.

"Hemos solicitado una patente y esperamos que pronto la tecnología se comercialice para que pueda ayudar a mejorar el diagnóstico del cáncer y otras enfermedades", dijo Sharma, quien ganó varios premios por su trabajo en el estudio de Harper Cancer Research de Notre Dame. Instituto.

"Las enfermedades no transmisibles son responsables de más del 70% de las muertes en todo el mundo, y las enfermedades cardiovasculares y el cáncer son responsables de la mayor parte de esa cifra", afirmó Sharma. "Nuestra tecnología muestra un camino para mejorar la forma en que los médicos diagnostican estas enfermedades, y eso podría salvar una enorme cantidad de vidas".

Más información: Himani Sharma et al, Una plataforma escalable de fraccionamiento isoeléctrico de alto rendimiento para nanoportadores extracelulares:aislamiento completo y sin sesgos de ribonucleoproteínas del plasma, la orina y la saliva, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por la Universidad de Notre Dame