Le cellule secernono pacchetti su scala nanometrica chiamati esosomi che trasportano messaggi importanti da una parte all'altra del corpo. Scienziati del MIT e di altre istituzioni hanno ora escogitato un modo per intercettare questi messaggi, che potrebbe essere utilizzato per diagnosticare problemi come cancro o anomalie fetali.

Il loro nuovo dispositivo utilizza una combinazione di microfluidica e onde sonore per isolare questi esosomi dal sangue. I ricercatori sperano di incorporare questa tecnologia in un dispositivo portatile in grado di analizzare i campioni di sangue dei pazienti per una diagnosi rapida, senza coinvolgere l'ingombrante e dispendioso metodo di ultracentrifugazione comunemente usato oggi.

"Questi esosomi spesso contengono molecole specifiche che sono una firma di certe anomalie. Se li isoli dal sangue, puoi fare analisi biologiche e vedere cosa rivelano, "dice Ming Dao, uno dei principali ricercatori nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT e autore senior dello studio, che appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze la settimana del 18 settembre.

Gli autori senior del documento includono anche Subra Suresh, presidente designato della Nanyang Technological University di Singapore, Vannevar Bush Professore Emerito di Ingegneria del MIT, e un ex decano di ingegneria al MIT; Tony Jun Huang, un professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke University; e Yoel Sadovsky, direttore del Magee-Women's Research Institute. L'autore principale del documento è lo studente laureato Duke Mengxi Wu.

Ordinamento con suono

Nel 2014, lo stesso team di ricercatori ha riferito per la prima volta che potevano separare le cellule esponendole alle onde sonore mentre scorrevano attraverso un minuscolo canale. Questa tecnica offre un'alternativa più delicata ad altre tecnologie di smistamento cellulare, che richiedono di etichettare le cellule con sostanze chimiche o di esporle a forze meccaniche più forti che potrebbero danneggiarle.

Da allora, i ricercatori hanno dimostrato che questa tecnologia può essere utilizzata per isolare rari, cellule tumorali circolanti da un campione di sangue. Nel loro nuovo studio, hanno deciso di catturare esosomi. Queste vescicole, che di solito hanno un diametro compreso tra 30 e 150 nanometri, può trasportare proteine, RNA, o altre importanti molecole cellulari.

Precedenti studi hanno rivelato che il contenuto di esosomi può fungere da marcatori per disturbi come il cancro, malattie neurodegenerative, e malattie renali, tra gli altri. Però, i metodi esistenti per isolare gli esosomi richiedono una centrifugazione ad alta velocità, che richiede quasi 24 ore per eseguire, utilizzando una macchina grande che non è portatile. Le elevate forze centrifughe possono anche danneggiare le vescicole.

"Le onde sonore acustiche sono molto più delicate, " Dice Dao. "Queste particelle stanno sperimentando le forze solo per un secondo o meno mentre vengono separate, che è un grande vantaggio".

Il dispositivo originale di smistamento delle cellule acustiche dei ricercatori consiste in un canale microfluidico esposto a due trasduttori acustici inclinati. Quando le onde sonore prodotte da questi trasduttori si incontrano, formano onde stazionarie che generano una serie di nodi di pressione. Ogni volta che una cellula o una particella scorre attraverso il canale e incontra un nodo, la pressione guida la cella un po' più fuori centro. La distanza di movimento delle cellule dipende dalle dimensioni e da altre proprietà come la comprimibilità, rendendo possibile separare celle di diverse dimensioni nel momento in cui raggiungono la fine del canale.

Per isolare gli esosomi, i ricercatori hanno costruito un dispositivo con due di queste unità in tandem. Nel primo, le onde sonore vengono utilizzate per rimuovere cellule e piastrine da un campione di sangue. Una volta rimosse le cellule e le piastrine, il campione entra in una seconda unità microfluidica, che utilizza onde sonore di frequenza più elevata per separare gli esosomi da vescicole extracellulari leggermente più grandi.

Utilizzando questo dispositivo, sono necessari meno di 25 minuti per elaborare un campione di sangue non diluito da 100 microlitri.

"La nuova tecnica può affrontare gli svantaggi delle attuali tecnologie per l'isolamento degli esosomi, come tempi di consegna lunghi, incoerenza, bassa resa, contaminazione, e incerta integrità esosomiale, " Dice Huang. "Vogliamo rendere l'estrazione di esosomi di alta qualità semplice come premere un pulsante e ottenere i campioni desiderati entro 10 minuti".

"Questo lavoro fornisce un nuovo modo per catturare esosomi da campioni di fluidi umani attraverso una combinazione unica di microfluidica e acustica, utilizzando tecnologie di microfabbricazione all'avanguardia, " Suresh dice. "La capacità di questo metodo di separare queste vescicole su scala nanometrica, essenzialmente senza alterarne le caratteristiche biologiche o fisiche, offre interessanti possibilità per lo sviluppo di nuovi modi di valutare la salute umana, nonché l'insorgenza e la progressione delle malattie."

Una firma chiara

Il team di ricerca ora prevede di utilizzare questa tecnologia per cercare biomarcatori in grado di rivelare stati patologici. Hanno una sovvenzione congiunta del National Institutes of Health per cercare marcatori relativi a gravidanze anormali, e credono che la tecnologia potrebbe essere utilizzata per aiutare a diagnosticare anche altre condizioni di salute.

"La nuova tecnologia acustofluidica ha il potenziale per migliorare notevolmente il processo di isolamento degli esosomi e di altre vescicole extracellulari dal sangue e da altri fluidi corporei, " dice Sadovsky. "Questo aggiungerà una nuova dimensione alla ricerca sulla 'biopsia liquida, ' e facilitare l'uso clinico delle vescicole extracellulari per informare la fisiologia e la salute degli organi di difficile accesso, come la placenta durante la gravidanza umana".