Las células secretan paquetes a nanoescala llamados exosomas que transportan mensajes importantes de una parte del cuerpo a otra. Los científicos del MIT y otras instituciones ahora han ideado una forma de interceptar estos mensajes, que podrían usarse para diagnosticar problemas como el cáncer o anormalidades fetales.
Su nuevo dispositivo usa una combinación de microfluidos y ondas de sonido para aislar estos exosomas de la sangre. Los investigadores esperan incorporar esta tecnología en un dispositivo portátil que pueda analizar las muestras de sangre de los pacientes para un diagnóstico rápido, sin involucrar el engorroso y lento método de ultracentrifugación comúnmente utilizado en la actualidad.
"Estos exosomas a menudo contienen moléculas específicas que son la firma de ciertas anomalías. Si los aisla de la sangre, puede hacer un análisis biológico y ver qué revelan ", dice Ming Dao, un investigador científico principal en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT y autor principal del estudio.
Los autores principales del artículo también incluyen a Subra Suresh, presidenta designada de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, la profesora de ingeniería emérita Vannevar Bush del MIT y exdecana de ingeniería en el MIT; Tony Jun Huang, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Duke, y Yoel Sadovsky, director del Instituto de Investigación de Mujeres de Magee. El autor principal del artículo es el estudiante graduado de Duke Mengxi Wu.
ORDENANDO CON SONIDO
En 2014, el mismo equipo de investigadores informó por primera vez que podían separar las células al exponerlas a ondas de sonido a medida que fluían a través de un pequeño canal. Esta técnica ofrece una alternativa más suave a otras tecnologías de clasificación de células, que requieren etiquetar las células con productos químicos o exponerlas a fuerzas mecánicas más fuertes que pueden dañarlas.
Desde entonces, los investigadores han demostrado que esta tecnología se puede utilizar para aislar células tumorales circulantes raras a partir de una muestra de sangre. En su nuevo estudio, se propusieron capturar exosomas. Estas vesículas, que generalmente tienen entre 30 y 150 nanómetros de diámetro, pueden transportar proteínas, ARN u otras moléculas celulares importantes.
El dispositivo de selección de células acústicas original de los investigadores consiste en un canal de microfluidos expuesto a dos transductores acústicos inclinados
Estudios previos han revelado que los contenidos de exosomas pueden servir como marcadores para trastornos como el cáncer, la enfermedad neurodegenerativa y la enfermedad renal, entre otros. Sin embargo, los métodos existentes para aislar exosomas requieren una centrifugación a alta velocidad, que toma casi 24 horas para realizarse, usando una máquina grande que no es portátil. Las altas fuerzas centrífugas también pueden dañar las vesículas.
"Las ondas de sonido acústicas son mucho más suaves", dice Dao. "Estas partículas experimentan las fuerzas durante solo un segundo o menos a medida que se separan, lo que es una gran ventaja".
El dispositivo de selección de células acústicas original de los investigadores consiste en un canal de microfluidos expuesto a dos transductores acústicos inclinados. Cuando las ondas de sonido producidas por estos transductores se encuentran entre sí, forman ondas estacionarias que generan una serie de nodos de presión. Cada vez que una célula o partícula fluye a través del canal y se encuentra con un nodo, la presión guía a la célula un poco más hacia el centro. La distancia del movimiento de la celda depende del tamaño y de otras propiedades como la compresibilidad, lo que permite separar celdas de diferentes tamaños para cuando llegan al final del canal.
Para aislar los exosomas, los investigadores construyeron un dispositivo con dos de esas unidades en tándem. En el primero, las ondas de sonido se utilizan para eliminar células y plaquetas de una muestra de sangre. Una vez que se eliminan las células y las plaquetas, la muestra ingresa a una segunda unidad microfluídica, que utiliza ondas de sonido de mayor frecuencia para separar los exosomas de las vesículas extracelulares ligeramente más grandes. Al usar este dispositivo, cuesta menos de 25 minutos procesar una muestra de sangre sin diluir de 100 microlitros.
"La nueva técnica puede abordar los inconvenientes de las tecnologías actuales para el aislamiento de exosomas, como el tiempo de respuesta prolongado, la incoherencia, el bajo rendimiento, la contaminación y la integridad incierta del exosoma", dice Huang. "Queremos que la extracción de exosomas de alta calidad sea tan simple como presionar un botón y obtener las muestras deseadas en 10 minutos".
"Queremos que la extracción de exosomas de alta calidad sea tan simple como presionar un botón y obtener las muestras deseadas en 10 minutos"
"Este trabajo proporciona una nueva forma de capturar exosomas de muestras de fluidos humanos a través de una combinación única de microfluidos y acústica, utilizando tecnologías de microfabricación de última generación", dice Suresh. "La capacidad de este método para separar estas vesículas a nanoescala, esencialmente sin alterar sus características biológicas o físicas, ofrece atractivas posibilidades para desarrollar nuevas formas de evaluar la salud humana, así como el inicio y la progresión de las enfermedades".
NUEVO PARADIGMA
Este nuevo método de aislamiento de exosomas "puede marcar el comienzo de un nuevo paradigma en el diagnóstico y pronóstico de la enfermedad", dice Taher Saif, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Este documento presenta un método no invasivo, sin etiquetas, biocompatible", dice Saif, que no participó en la investigación.
El equipo de investigación ahora planea usar esta tecnología para buscar biomarcadores que puedan revelar estados de enfermedad
El equipo de investigación ahora planea usar esta tecnología para buscar biomarcadores que puedan revelar estados de enfermedad. Tienen una subvención conjunta de los Institutos Nacionales de Salud para buscar marcadores relacionados con un embarazo anormal, y creen que la tecnología podría usarse para ayudar a diagnosticar otras afecciones de salud también.
"La nueva tecnología acustofluídica tiene el potencial de mejorar drásticamente el proceso de aislamiento de los exosomas y otras vesículas extracelulares de la sangre y otros fluidos corporales", dice Sadovsky. "Esto agregará una nueva dimensión a la investigación en 'biopsia líquida' y facilitará el uso clínico de vesículas extracelulares para informar la fisiología y la salud de órganos de difícil acceso, como la placenta durante el embarazo humano".