Ingenieros del MIT han ideado una manera de medir la masa de partículas con una resolución mejor que un attogram - una millonésima de una billonésima parte de un gramo. Pesaje de estas pequeñas partículas, incluyendo tanto las nanopartículas sintéticas y componentes biológicos de las células, podrían ayudar a los investigadores a entender mejor su composición y funciones.

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   La ilustración muestra un resonador nanochannel suspendido (SNR), que puede medir directamente la masa de nanopartículas individuales con precisión de un solo attogramo. El recuadro muestra una representación del interior de la canal fluídico incrustado, mientras que un conjunto de nanopartículas de oro de ADN-Origami está pasando a través del resonador. Imagen cortesía de Selim Olcum y Nate Cermak                                                                                                                                                          

El sistema se basa en una tecnología desarrollada previamente por Scott Manalis, un profesor del MIT de la ingeniería biológica y mecánica, para pesar las partículas más grandes, tales como las células. Este sistema, conocido como un resonador de microcanales en suspensión (SMR), mide la masa de las partículas a medida que fluyen a través de un estrecho canal.

Al reducir el tamaño de todo el sistema, los investigadores fueron capaces de aumentar su resolución a 0.85 attograms-más que una mejora de 30 veces respecto a la generación anterior del dispositivo.
"Ahora podemos sopesar pequeños virus, vesículas extracelulares, y la mayoría de las nanopartículas artificiales que se están utilizando para la nanomedicina", dice Selim Olcum, un post-doctorado en el laboratorio de Manalis 'y uno de los autores principales de un artículo que describe el sistema en temas de la semana cuestión de las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

El estudiante graduado Nathan Cermak es también un autor principal del artículo, y Manalis, miembro del Instituto de Koch del MIT para Integrative Cancer Research, es el autor principal del artículo. Los investigadores de los laboratorios de los profesores del MIT y miembros Koch Institute Angela Belcher y Sangeeta Bhatia también contribuyeron al estudio.

Un pequeño sensor de pequeñas partículas

Manalis desarrolló por primera vez el sistema de SMR en 2007 para medir la masa de las células vivas, así como las partículas tan pequeñas como una femtogram (una mil billonésima parte de un gramo o 1000 attograms). Desde entonces, su laboratorio ha utilizado el dispositivo para controlar el crecimiento celular en el tiempo, medir la densidad celular, y medir otras propiedades físicas, tales como la rigidez.

El sensor de masa original se compone de un microcanal llenas de líquido grabadas en una pequeña palanca de silicio que vibra en el interior de una cavidad de vacío. Como las células o partículas fluyen a través del canal, uno a la vez, su masa altera ligeramente la frecuencia de vibración del voladizo. La masa de la partícula puede calcularse a partir de que el cambio en la frecuencia.
Para hacer que el dispositivo sensible a masas más pequeñas, los investigadores tuvieron que reducir el tamaño del voladizo, que se comporta como un trampolín, dice Olcum. Cuando un saltador bote al final de un trampolín, que vibra con una gran amplitud y baja frecuencia. Cuando el buzo se sumerge en el agua, el tablero comienza a vibrar mucho más rápido debido a que la masa total de la junta directiva se ha reducido considerablemente.

Para medir masas más pequeñas, se requiere un "trampolín" más pequeño. "Si usted está midiendo las nanopartículas con un gran voladizo, que es como tener un trampolín enorme con una pequeña mosca en él. Cuando la mosca salta, usted no nota ninguna diferencia. Por eso tuvimos que hacer trampolines muy pequeñas ", dice Olcum.

En un estudio previo, los investigadores del laboratorio Manalis 'construyeron un voladizo de 50 micras - aproximadamente una décima parte del tamaño de la viga se utiliza para la medición de las células. Este sistema, conocido como un resonador nanochannel suspendido (SNR), era capaz de sopesar partículas tan ligero como 77 atogramos a una velocidad de una partícula o dos por segundo.
El voladizo en la nueva versión del dispositivo de SNR es 22,5 micras de largo, y el canal que corre a través de ella es de 1 micrón de ancho y 400 nanómetros de profundidad. Esta miniaturización hace que el sistema sea más sensible debido a que aumenta la frecuencia de vibración del voladizo. A frecuencias más altas, el cantilever es más sensible a pequeños cambios en la masa.

Los investigadores obtuvieron un nuevo impulso en la resolución cambiando la fuente para la vibración del cantilever de un electrostática a una excitación piezoeléctrica, que produce una mayor amplitud y, a su vez, disminuye el impacto de las vibraciones espurias que interfieren con la señal de que están tratando de medir.

Con este sistema, los investigadores pueden medir cerca de 30.000 partículas en un poco más de 90 minutos. "En el lapso de un segundo, tenemos cuatro o cinco partículas que pasan a través, y podríamos potencialmente aumentar la concentración y tener partículas que pasan más rápido", dice Cermak.

Análisis de partículas

Para demostrar la utilidad del dispositivo en el análisis de las nanopartículas de ingeniería, el equipo del MIT pesaba nanopartículas hechas de ADN unido a pequeñas esferas de oro, lo que les permitió determinar cuántos fueron atados esferas de oro a cada andamio ADN origami. Esa información se puede utilizar para evaluar el rendimiento, lo cual es importante para el desarrollo de nanoestructuras precisas, tales como andamios para nanodispositivos.

Los investigadores también probaron el sistema de SNR en nanopartículas biológicos llamada exosomas - vesículas que llevan proteínas, ARN, u otras moléculas secretadas por las células - que se cree que desempeñan un papel en la señalización entre ubicaciones distantes en el cuerpo.
Ellos encontraron que los exosomas secretadas por las células del hígado y de los fibroblastos (células que forman tejido conectivo) tenían diferentes perfiles de distribución de la masa, lo que sugiere que puede ser posible distinguir vesículas que se originan a partir de diferentes células y puede tener diferentes funciones biológicas.

Los investigadores están ahora investigando el uso del dispositivo SNR para detectar los exosomas en la sangre de pacientes con glioblastoma (GBM), un tipo de cáncer cerebral. Este tipo de tumor segrega grandes cantidades de exosomas, y seguimiento de los cambios en su concentración podría ayudar a los médicos controlar a los pacientes que son tratados.

Exosomas Glioblastoma ahora se pueden detectar mediante la mezcla de las muestras de sangre con nanopartículas magnéticas recubiertas con anticuerpos que se unen a marcadores que se encuentran en las superficies de vesículas, pero la SNR podrían proporcionar una prueba más

"Estamos particularmente entusiasmados con el uso de la alta precisión de la SNR para cuantificar microvesículas en la sangre de pacientes con GBM. Aunque existen enfoques basados ​​en la afinidad para aislar los subconjuntos de microvesículas, la SNR podría proporcionar potencialmente un medio-de la etiqueta libre de la enumeración de microvesículas que es independiente de su expresión en la superficie ", dice Manalis.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU. a través del Instituto de Biotecnología de colaboración, el Centro para la Integración de la Medicina y la Tecnología Innovadora, la Fundación Nacional de Ciencias y el Instituto Nacional del Cáncer.
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