Un nuovo dispositivo creato presso l'Università di Notre Dame utilizza un metodo innovativo per "ascoltare" le conversazioni delle cellule.
Gli scienziati sanno da tempo che l'RNA (acido ribonucleico) agisce come messaggero all'interno delle cellule, traducendo le informazioni sul DNA per aiutare le cellule a produrre proteine.
Ma recentemente gli scienziati hanno scoperto che alcuni tipi di RNA si avventurano al di fuori della parete cellulare. Ciascuno di questi filamenti di "RNA extracellulare", o exRNA, si trova all'interno di una minuscola "bottiglia" di trasporto e scorre lungo i fluidi corporei come un messaggio microscopico in una bottiglia, trasportando informazioni ad altre cellule.
Il nuovo apprezzamento per l'exRNA ha anche sollevato una possibilità allettante:potremmo usare l'exRNA come un modo per "ascoltare" le conversazioni delle cellule?
"Questi RNA extracellulari sono una miniera d'oro di informazioni", ha affermato Hsueh-Chia Chang, professore di ingegneria chimica e biomolecolare della Bayer presso l'Università di Notre Dame. "Possono portare i primi segni premonitori di cancro, malattie cardiache, HIV e altre condizioni potenzialmente letali."
Chang, esperto di nanofluidica, spiega che diagnosticare una malattia utilizzando gli exRNA potrebbe rivelarsi non solo più efficace ma anche più veloce ed economico rispetto ai metodi esistenti, poiché in un piccolo campione di sangue o in un altro fluido corporeo sono presenti abbastanza exRNA da segnalare la presenza di molti malattie.
Ma intercettare e interpretare i messaggi dell’exRNA è stata una sfida difficile. Molti laboratori hanno tentato di filtrarli da campioni di sangue o altri fluidi corporei. Molti altri hanno utilizzato centrifughe avanzate per isolare l’exRNA. Questi metodi hanno avuto scarso successo per un semplice motivo:i diversi tipi di "bottiglie" che trasportano messaggi exRNA si sovrappongono in dimensioni e peso.
Anche i filtri e le centrifughe più avanzati lasciano molti trasportatori alla rinfusa. I laboratori che utilizzano questi metodi devono aggiungere ulteriori passaggi in cui aggiungono sostanze chimiche o piccole particelle magnetiche per suddividere ulteriormente i portatori in gruppi distinti.
Quattro anni fa, Chang e un team di ricercatori di Notre Dame hanno deciso di provare un approccio radicalmente nuovo, e la loro idea ha ricevuto il sostegno del Fondo comune del National Institutes of Health, che seleziona promettenti “sforzi innovativi ad alto rischio con il potenziale per un impatto straordinario."
A Chang si unirono altri tre membri della facoltà di Notre Dame:Crislyn D'Souza-Schorey, la professoressa di scienze biologiche Morris Pollard; David Go, vicepresidente e rettore associato per la strategia accademica e Viola D. Hank, professoressa di ingegneria aerospaziale e meccanica; e Satyajyoti Senapati, professore associato di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare. Il ricercatore post-dottorato Himani Sharma è stato responsabile del progetto, mentre lo studente laureato in ingegneria chimica e biomolecolare Vivek Yadav ha contribuito a condurre la ricerca.
In uno studio pubblicato su ACS Nano , Sharma, Chang e i loro colleghi descrivono il dispositivo rivoluzionario risultato dalla loro ricerca.
La nuova tecnologia utilizza una combinazione di pH (acidità/basicità) e carica elettrica per separare i portatori. L'idea si basa sul fatto che, sebbene i portatori si sovrappongano in dimensioni e peso, ciascun tipo ha un "punto isoelettrico" distinto:il pH, o livello di acidità/basicità, al quale non ha carica positiva o negativa.
Il dispositivo integra diverse tecnologie esistenti sviluppate a Notre Dame e sta perfettamente nel palmo della mano.
Al centro del dispositivo scorre quello che sembra un semplice flusso d'acqua. Ma c'è qualcosa di speciale nel ruscello che non è visibile ad occhio nudo. Sul lato sinistro, l’acqua è altamente acida, con un pH quasi uguale a quello di un bicchiere di succo di pompelmo. Dall'altra parte del torrente, l'acqua è altamente basica, con un pH simile a quello di una bottiglia di ammoniaca.
Una caratteristica speciale del dispositivo non è solo il fatto di avere un gradiente di pH nel flusso, ma anche il modo in cui riesce a raggiungere tale gradiente. La tecnologia è in grado di generare il gradiente senza l'aggiunta di sostanze chimiche, rendendolo più economico, più ecologico e più efficiente da gestire rispetto ai progetti che si basano sull'aggiunta di acidi e basi.
Il gradiente non proviene da una sostanza chimica ma da una membrana a due lati alimentata da un chip appositamente progettato. La membrana divide l'acqua in due ioni (H + e OH - ) e aggiunge un diverso tipo di ione a ciascun lato del flusso. Un lato della membrana rilascia ioni idronio acidi, mentre l'altro lato rilascia ioni idrossido basici.
Quando i flussi basici e acidi scorrono insieme, creano un gradiente di pH proprio come i flussi caldi e freddi che scorrono insieme formerebbero lati caldi e freddi con un gradiente di temperatura attraverso il centro del flusso. Il team ha utilizzato i due dispositivi funzionanti in parallelo per selezionare l'intervallo di pH richiesto per la separazione dei portatori e ha ottimizzato il processo utilizzando l'apprendimento automatico.
Il gradiente di pH ha ottenuto ciò che filtri e centrifughe non erano riusciti a ottenere:ha fatto sì che i trasportatori di exRNA fluttuanti nel flusso si ordinassero come i colori della luce che passano attraverso un prisma. I diversi tipi di trasportatori formavano linee lungo i loro punti isoelettrici dove potevano facilmente defluire in punti d'uscita separati.
Grazie al nuovo metodo, il gruppo di ricerca è stato in grado di generare campioni molto puri (puri fino al 97%) utilizzando meno di un millilitro di plasma sanguigno, saliva o urina. Il processo è stato anche rapidissimo rispetto ai metodi attuali. Mentre le migliori tecnologie esistenti impiegano circa un giorno per ottenere la separazione, il team di Notre Dame è riuscito a smistare in modo completo il campione in appena mezz'ora.
"Abbiamo richiesto un brevetto e speriamo presto che la tecnologia venga commercializzata, in modo che possa aiutare a migliorare la diagnosi del cancro e di altre malattie", ha detto Sharma, che ha vinto numerosi premi per il suo lavoro sullo studio dell'Harper Cancer Research di Notre Dame. Istituto.
"Le malattie non trasmissibili sono responsabili di oltre il 70% dei decessi in tutto il mondo, e le malattie cardiovascolari e il cancro sono responsabili della maggior parte di questo numero", ha affermato Sharma. "La nostra tecnologia mostra un percorso per migliorare il modo in cui i medici diagnosticano queste malattie e ciò potrebbe salvare un numero enorme di vite."
Ulteriori informazioni: Himani Sharma et al, Una piattaforma di frazionamento isoelettrico ad alto rendimento scalabile per nanovettori extracellulari:isolamento completo e privo di bias di ribonucleoproteine da plasma, urina e saliva, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università di Notre Dame
