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《Science Advances》几分钟内分离、分类血液中的微囊泡
【字体: 大 中 小 】 时间:2022年12月05日 来源:Science Advances
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杜克大学的工程师开发了一种设备,可以利用声波在几分钟内分离和分类血液中最微小的颗粒。这项技术基于一种叫做“虚拟柱子”的概念,可能对科学研究和医疗应用都有好处。
被称为“细胞外小泡”(sEVs)的微小生物纳米颗粒从体内的每种细胞中释放出来,被认为在细胞间通讯和疾病传播中发挥着重要作用。这项新技术被称为“波柱激发共振声学纳米级分离”(简称ANSWER),它不仅能在10分钟内从生物液体中提取这些纳米颗粒,还能将它们按据信具有不同生物作用的大小分类。该研究结果于11月23日发表在《Science Advances》。
杜克大学William Bevan机械工程和材料科学特级教授Tony Jun Huang说:“这些纳米颗粒在医学诊断和治疗方面具有巨大潜力,但目前分离和分类它们的技术需要几个小时或几天,不一致,产量或纯度低,容易受到污染,有时还会损坏纳米颗粒。”
Huang说:“我们想让提取和分类高质量的sEVs像按一个按钮一样简单,得到所需的样本比洗个澡还要快。”
最近的研究表明,sEVs由几个大小不同的亚群组成(例如,小于50纳米、60 - 80纳米和90 - 150纳米)。人们认为,每种大小的鱼都有不同的生物学特性。
最近sEV亚群的发现让研究人员兴奋不已,因为它们有可能彻底改变非侵入性诊断领域,如癌症和阿尔茨海默病的早期检测。但这些颗粒还没有进入临床应用。
Huang说,这主要是由于分离和分离这些纳米级sEV亚群的困难。为了应对这一挑战,Huang和他的博士生Jinxin Zhang,以及加州大学洛杉矶分校、哈佛大学和马吉妇女研究所的合作者,开发了ANSWER平台。
该装置使用一对换能器来产生一种固定声波,这种声波会包围一个狭窄的、封闭的、充满液体的通道。声波通过通道壁“泄漏”到液体中心,并与原始的驻声波相互作用。通过对壁厚、通道大小和声音频率的精心设计,这种相互作用创造了一种共振,沿着通道的中心形成了“虚拟支子”。
每一个虚拟柱子本质上都是一个半鸡蛋形状的高压区域。当粒子试图越过柱子时,它们会被推到通道的边缘。粒子越大,推力越大。通过调整一系列虚拟柱子,在移动的纳米颗粒上产生细微的力,研究人员可以根据实验需要,根据大小将它们精确地分成不同的组。
加州大学洛杉矶分校口腔/头颈肿瘤研究中心主任David Wong表示:“ANSWER电动汽车分离技术是最先进的电动汽车精确分离技术,它将显著影响电动汽车诊断、预后和液体活检的水平。”
在这篇新论文中,研究人员演示了他们的ANSWER平台可以成功地将sEVs分为三个亚组,对光谱较大端纳米颗粒的准确率为96%,对最小端纳米颗粒的准确率为80%。他们还展示了系统的灵活性,通过对声波参数的简单更新来调整分组的数量和大小范围。每个实验只需要10分钟就能完成,而其他方法如超离心则需要数小时或数天。
“由于其无接触的特性,ANSWER为分离生物纳米颗粒提供了一种生物兼容的方法。”Zhang说。与具有固定分离截止直径的机械过滤方法不同,ANSWER提供了一种可调谐的纳米级分离方法,截止直径可以通过改变输入声功率来精确修改。”
未来,研究人员将继续改进ANSWER技术,使其能够有效地纯化其他生物相关纳米颗粒,如病毒、抗体和蛋白质。
A Solution to the Biophysical Fractionation of Extracellular Vesicles: Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance (ANSWER)
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