Новое устройство от Массачусетского технологического института может измерять массу растворенных веществ с точностью до одной миллионной триллионной доли грамма.
Энн Трафтон, MIT News
Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ измерения массы частиц с точностью до аттограмма — одной миллионной триллионной доли грамма. Взвешивание этих крошечных частиц, включая как синтетические наночастицы, так и биологические компоненты клеток, может помочь исследователям лучше понять их состав и функции.
Система основана на технологии, ранее разработанной Скоттом Маналисом, профессором биологической и механической инженерии Массачусетского технологического института, для взвешивания более крупных частиц, таких как клетки. Эта система, известная как подвесной микроканальный резонатор (ПМКР), измеряет массу частиц, когда они движутся по узкому каналу.
Уменьшив размер всей системы, исследователи смогли повысить ее разрешение до 0,85 аттограмма — это более чем в 30 раз лучше, чем у предыдущего поколения устройства.
«Теперь мы можем взвешивать мелкие вирусы, внеклеточные везикулы и большинство искусственных наночастиц, которые используются в наномедицине», — говорит Селим Олкум, постдок в лаборатории Маналиса и один из ведущих авторов статьи, описывающей эту систему, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Аспирант Натан Чермак также является ведущим автором статьи, а Маналис, сотрудник Института интегративных исследований рака Коха при Массачусетском технологическом институте, — старшим автором. В исследовании также приняли участие ученые из лабораторий профессоров Массачусетского технологического института и сотрудников Института Коха Анджела Белчер и Сангита Бхатия.
Небольшой датчик для улавливания мелких частиц
В 2007 году Маналис впервые разработал систему SMR для измерения массы живых клеток, а также частиц размером с фемтограмм (одна квадриллионная грамма, или 1000 аттограммов). С тех пор его лаборатория использует это устройство для отслеживания роста клеток с течением времени, измерения плотности клеток и других физических свойств, таких как жесткость.
Оригинальный датчик массы состоит из заполненного жидкостью микроканала, вытравленного в крошечном кремниевом кантилевере, который вибрирует внутри вакуумной камеры. Когда клетки или частицы по одной проходят через канал, их масса немного изменяет частоту колебаний кантилевера. По изменению частоты можно рассчитать массу частицы.
По словам Олкам, чтобы сделать устройство чувствительным к меньшим массам, исследователям пришлось уменьшить размер кантилевера, который работает по принципу трамплина для прыжков в воду. Когда прыгун отталкивается от трамплина, он вибрирует с очень большой амплитудой и низкой частотой. Когда прыгун погружается в воду, трамплин начинает вибрировать гораздо быстрее, потому что общая масса трамплина значительно уменьшается.
Для измерения малых масс требуется «трамплин» меньшего размера. «Если вы измеряете наночастицы с помощью большого кантилевера, это все равно что иметь огромный трамплин, на котором сидит крошечная мушка. Когда мушка спрыгивает, вы не замечаете никакой разницы. Поэтому нам пришлось сделать очень маленькие трамплины», — говорит Олкам.
В ходе предыдущего исследования ученые из лаборатории Маналиса создали кантилевер диаметром 50 микрон — примерно в десять раз меньше кантилевера, используемого для измерения клеток. Эта система, известная как подвесной наноканальный резонатор (SNR), позволяла взвешивать частицы весом до 77 аттограммов со скоростью одна-две частицы в секунду.
Длина кантилевера в новой версии устройства SNR составляет 22,5 микрона, а проходящий через него канал имеет ширину 1 микрон и глубину 400 нанометров. Такая миниатюризация делает систему более чувствительной, поскольку увеличивает частоту колебаний кантилевера. На более высоких частотах кантилевер сильнее реагирует на незначительные изменения массы.
Исследователи добились еще более высокого разрешения, заменив источник вибрации кантилевера с электростатического на пьезоэлектрическое возбуждение, которое обеспечивает большую амплитуду и, в свою очередь, снижает влияние паразитных вибраций, мешающих сигналу, который они пытаются измерить.
С помощью этой системы исследователи могут измерить почти 30 000 частиц чуть более чем за 90 минут. «За секунду через прибор проходят четыре-пять частиц, и мы потенциально можем увеличить концентрацию, чтобы частицы проходили быстрее», — говорит Чермак.
Анализ частиц
Чтобы продемонстрировать возможности устройства в анализе искусственных наночастиц, команда Массачусетского технологического института взвесила наночастицы, состоящие из ДНК, связанной с крошечными золотыми сферами, что позволило определить, сколько золотых сфер связано с каждым каркасом из ДНК-оригами. Эту информацию можно использовать для оценки выхода продукта, что важно для разработки точных наноструктур, таких как каркасы для наноустройств.
Исследователи также протестировали систему SNR на биологических наночастицах, называемых экзосомами, — везикулах, которые переносят белки, РНК и другие молекулы, выделяемые клетками. Считается, что они играют роль в передаче сигналов между удаленными участками тела.
Они обнаружили, что экзосомы, выделяемые клетками печени и фибробластами (клетками соединительной ткани), имеют разные профили распределения массы. Это позволяет предположить, что можно различать везикулы, которые образуются в разных клетках и могут выполнять разные биологические функции.
Сейчас исследователи с помощью устройства SNR изучают возможность обнаружения экзосом в крови пациентов с глиобластомой (разновидностью рака мозга). Этот тип опухоли выделяет большое количество экзосом, и отслеживание изменений их концентрации может помочь врачам контролировать состояние пациентов во время лечения.
Экзосомы глиобластомы теперь можно обнаружить, смешав образцы крови с магнитными наночастицами, покрытыми антителами, которые связываются с маркерами, присутствующими на поверхности везикул. Однако метод с использованием отношения сигнал/шум может оказаться более простым.
«Мы особенно воодушевлены тем, что можем использовать высокую точность метода для количественной оценки микровезикул в крови пациентов с глиобластомой. Несмотря на то, что существуют методы выделения подгрупп микровезикул на основе аффинности, метод на основе отношения сигнал/шум потенциально может стать способом подсчета микровезикул без использования меток, не зависящим от экспрессии их поверхностных белков», — говорит Маналис.
Исследование финансировалось Исследовательским управлением армии США через Институт совместных биотехнологий, Центр интеграции медицины и инновационных технологий, Национальный научный фонд и Национальный институт рака.