Gli scienziati IBM hanno sviluppato una nuova tecnologia lab-on-a-chip che può, per la prima volta, separare le particelle biologiche su scala nanometrica e potrebbe consentire ai medici di rilevare malattie come il cancro prima che compaiano i sintomi.

Come riportato oggi sul giornale Nanotecnologia della natura , i risultati del team IBM mostrano la separazione in base alle dimensioni delle bioparticelle fino a 20 nanometri (nm) di diametro, una scala che dà accesso a particelle importanti come il DNA, virus ed esosomi. Una volta separato, queste particelle possono essere potenzialmente analizzate dai medici per rivelare segni di malattia anche prima che i pazienti manifestino sintomi fisici e quando l'esito del trattamento è più positivo. Fino ad ora, la più piccola bioparticella che poteva essere separata per dimensione con le tecnologie on-chip era circa 50 volte o più grande, Per esempio, separazione delle cellule tumorali circolanti da altri componenti biologici.

IBM sta collaborando con un team della Icahn School of Medicine del Monte Sinai per continuare lo sviluppo di questa tecnologia lab-on-a-chip e prevede di testarla sul cancro alla prostata, il cancro più comune negli uomini negli Stati Uniti

Nell'era della medicina di precisione, gli esosomi sono sempre più visti come utili biomarcatori per la diagnosi e la prognosi dei tumori maligni. Gli esosomi vengono rilasciati in fluidi corporei facilmente accessibili come sangue, saliva o urina. Rappresentano un prezioso strumento biomedico in quanto possono essere utilizzati nel contesto di biopsie liquide meno invasive per rivelare l'origine e la natura di un cancro.

Il team IBM ha preso di mira gli esosomi con il proprio dispositivo poiché le tecnologie esistenti affrontano sfide per la separazione e la purificazione degli esosomi nelle biopsie liquide. Gli esosomi hanno dimensioni comprese tra 20 e 140 nm e contengono informazioni sulla salute della cellula di origine da cui provengono. Una determinazione della dimensione, le proteine ​​di superficie e il carico di acidi nucleici trasportati dagli esosomi possono fornire informazioni essenziali sulla presenza e sullo stato di sviluppo del cancro e di altre malattie.

I risultati di IBM mostrano che potrebbero separare e rilevare particelle fino a 20 nm da particelle più piccole, che gli esosomi di dimensioni pari o superiori a 100 nm potrebbero essere separati da esosomi più piccoli, e che la separazione può avvenire nonostante la diffusione, un segno distintivo della dinamica delle particelle a queste piccole scale. Con il Monte Sinai, il team prevede di confermare che il loro dispositivo è in grado di rilevare esosomi con biomarcatori specifici del cancro dalle biopsie liquide dei pazienti.

"La capacità di selezionare e arricchire i biomarcatori su scala nanometrica nelle tecnologie basate su chip apre le porte alla comprensione di malattie come il cancro e virus come l'influenza o Zika, " disse Gustavo Stolovitzky, Direttore del programma di Translational Systems Biology e Nanobiotechnology presso IBM Research. "Il nostro dispositivo lab-on-a-chip potrebbe offrire un semplice, opzione non invasiva e conveniente per rilevare e monitorare potenzialmente una malattia anche nelle sue prime fasi, molto prima che i sintomi fisici si manifestino. Questa quantità di tempo extra consente ai medici di prendere decisioni più informate e quando la prognosi per le opzioni di trattamento è più positiva".

Con la capacità di ordinare le bioparticelle su scala nanometrica, Il Monte Sinai spera che la tecnologia di IBM possa fornire un nuovo metodo per intercettare i messaggi trasportati dagli esosomi per le comunicazioni da cellula a cellula. Ciò può chiarire importanti questioni sulla biologia delle malattie e aprire la strada a strumenti diagnostici non invasivi e alla fine convenienti. Il monitoraggio più regolare di questa conversazione intercellulare potrebbe consentire agli esperti medici di monitorare lo stato di salute di un individuo o la progressione di una malattia.

"Quando siamo davanti alla malattia di solito possiamo affrontarla bene; ma se la malattia è davanti a noi, il viaggio è di solito molto più difficile. Uno degli sviluppi importanti che stiamo tentando in questa collaborazione è avere le basi per identificare le firme esosomatiche che possono essere presenti molto presto prima che compaiano i sintomi o prima che una malattia peggiori, " ha detto il dottor Carlos Cordon-Cardo, Professore e Presidente del Dipartimento di Patologia del Sistema Sanitario del Monte Sinai. "Riunendo l'esperienza di dominio del Monte Sinai nel cancro e nella patologia con l'esperienza di biologia dei sistemi di IBM e la sua più recente tecnologia di separazione su nanoscala, la speranza è quella di cercare specifiche, biomarcatori sensibili negli esosomi che rappresentano una nuova frontiera per offrire indizi che potrebbero contenere la risposta se una persona ha il cancro o come trattarlo".

Smistamento di bioparticelle su scala nanometrica

Le tecnologie Lab-on-a-chip sono diventate uno strumento diagnostico incredibilmente utile per i medici in quanto possono essere significativamente più veloci, portatile, facile da usare e richiede un volume di campione inferiore per aiutare a rilevare le malattie. L'obiettivo è ridurre a un singolo chip di silicio tutti i processi necessari per analizzare una malattia che normalmente verrebbe eseguita in un laboratorio di biochimica su vasta scala.

Utilizzando una tecnologia chiamata spostamento laterale deterministico su nanoscala, o nano-DLD, Gli scienziati IBM Dr. Joshua Smith e Dr. Benjamin Wunsch hanno guidato lo sviluppo di una tecnologia lab-on-a-chip che consente il passaggio di un campione liquido, a flusso continuo, attraverso un chip di silicio contenente un pillar array asimmetrico. Questa matrice consente al sistema di ordinare una cascata microscopica di nanoparticelle, separando le particelle per dimensione fino a decine di nanometri di risoluzione. IBM ha già ridotto le dimensioni del chip a 2 cm per 2 cm, mentre continua lo sviluppo per aumentare la densità del dispositivo per migliorare la funzionalità e il throughput.

Proprio come una strada attraverso un piccolo tunnel consente il passaggio solo alle auto più piccole mentre costringe i camion più grandi a deviare intorno, nano-DLD utilizza una serie di pilastri per deviare le particelle più grandi consentendo alle particelle più piccole di fluire senza sosta attraverso gli spazi della matrice di pilastri, separando efficacemente questa particella "traffico" per dimensione senza interrompere il flusso. interessante, Gli scienziati IBM hanno notato che gli array nano-DLD possono anche dividere una miscela di molte dimensioni di particelle diverse in una serie di flussi, proprio come un prisma divide la luce bianca in diversi colori. La natura del flusso continuo di questa tecnologia elude l'elaborazione batch stop-and-go tipica delle tecniche di separazione convenzionali.

Sfruttando la vasta esperienza di IBM sui semiconduttori con le sue crescenti capacità nella biologia sperimentale, Gli scienziati IBM hanno utilizzato processi di silicio fabbricabili per produrre gli array nano-DLD per il loro dispositivo lab-on-a-chip. Come parte della sua strategia in corso, I ricercatori IBM stanno lavorando per aumentare la diversità delle bioparticelle che possono essere separate con il loro dispositivo, e migliorando la precisione e la specificità per le applicazioni cliniche del mondo reale.