Ny teknik kan leda till snabba, minimalt invasiva cancerdiagnoser

Credit: ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c01340
Credit: ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c01340

En ny enhet som skapats vid University of Notre Dame använder en innovativ metod för att ”lyssna in” på cellers konversationer.

Forskare har länge vetat att RNA (ribonukleinsyra) fungerar som en budbärare inuti celler och översätter DNA-information för att hjälpa cellerna att tillverka proteiner.

Men nyligen har forskarna upptäckt att vissa typer av RNA tar sig utanför cellväggen. Var och en av dessa strängar av ”extracellulärt RNA”, eller exRNA, vilar inuti en liten bärarflaska och flödar längs kroppsvätskor som ett mikroskopiskt flaskpostmeddelande, som bär information till andra celler.

Den nya förståelsen för exRNA gav också upphov till en spännande möjlighet: Skulle vi kunna använda exRNA som ett sätt att ”lyssna in” på cellernas konversationer?

”Dessa extracellulära RNA är en guldgruva av information”, säger Hsueh-Chia Chang, Bayer-professor i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Notre Dame. ”De kan bära på tidiga varningssignaler om cancer, hjärtsjukdomar, HIV och andra livshotande tillstånd.”

Chang, som är expert på nanofluidik, förklarar att diagnos av en sjukdom med hjälp av exRNA inte bara skulle kunna vara effektivare utan också snabbare och billigare än befintliga metoder, eftersom det finns tillräckligt med exRNA i ett litet prov av blod eller annan kroppsvätska för att signalera förekomsten av många sjukdomar.

Men att fånga upp och tolka exRNA-meddelanden har varit en svår utmaning. Många laboratorier har försökt att filtrera bort dem från blodprover eller andra kroppsvätskor. Många andra har använt avancerade centrifuger för att isolera exRNA. Dessa metoder har inte varit särskilt framgångsrika av en enkel anledning: De olika typerna av ”flaskor” som bär på exRNA-meddelanden överlappar varandra i storlek och vikt.

Även de mest avancerade filtren och centrifugerna lämnar många bärare huller om buller. Laboratorier som använder dessa metoder måste lägga till ytterligare steg där de tillsätter kemikalier eller små magnetiska partiklar för att ytterligare sortera bärarna i diskreta grupper.

För fyra år sedan bestämde sig Chang och ett forskarteam vid Notre Dame för att prova en radikalt ny metod, och deras idé fick stöd från Common Fund vid National Institutes of Health, som väljer ut lovande ”innovativa högriskprojekt med potential för extraordinära effekter”.

Chang fick sällskap av tre andra fakultetsmedlemmar från Notre Dame: Crislyn D’Souza-Schorey, Morris Pollard Professor of Biological Sciences; David Go, vice president och associate provost for academic strategy och Viola D. Hank Professor of Aerospace and Mechanical Engineering; och Satyajyoti Senapati, research associate professor vid Department of Chemical and Biomolecular Engineering. Postdoktor Himani Sharma var projektledare och Vivek Yadav, forskarstuderande inom kemisk och biomolekylär teknik, hjälpte till att genomföra forskningen.

I en studie som publicerats i ACS Nano beskriver Sharma, Chang och deras kollegor den banbrytande anordning som är resultatet av deras forskning.

Den nya tekniken använder en kombination av pH (surhet/basicitet) och elektrisk laddning för att separera bärarna. Idén bygger på det faktum att även om bärarna överlappar varandra i storlek och vikt, har varje typ en distinkt ”isoelektrisk punkt” – det pH, eller den nivå av surhet/basicitet, vid vilken den inte har någon positiv eller negativ laddning.

Enheten integrerar flera befintliga tekniker som utvecklats vid Notre Dame och får plats i handflatan.

Genom mitten av enheten rinner något som ser ut som en enkel vattenström. Men det är något speciellt med strömmen som inte är synligt för blotta ögat. På vänster sida är vattnet mycket surt, med ett pH-värde ungefär som ett glas grapefruktjuice. På den andra sidan av strömmen är vattnet starkt basiskt, med ett pH-värde som liknar en flaska ammoniak.

En speciell egenskap hos enheten är inte bara det faktum att den har en pH-gradient i strömmen utan också hur den uppnår denna gradient. Tekniken kan generera gradienten utan tillsats av några kemikalier, vilket gör den billigare, mer miljövänlig och effektivare att driva än konstruktioner som förlitar sig på tillsatta syror och baser.

Gradienten kommer inte från en kemikalie utan från ett dubbelsidigt membran som drivs av ett specialdesignat chip. Membranet delar upp vattnet i två joner (H+ och OH-) och tillsätter en annan typ av jon till varje sida av strömmen. Den ena sidan av membranet släpper ut sura hydroniumjoner och den andra sidan släpper ut basiska hydroxidjoner.

När de basiska och sura strömmarna flyter samman skapar de en pH-gradient, precis som varma och kalla strömmar som flyter samman skulle bilda varma och kalla sidor med en temperaturgradient genom mitten av strömmen. Teamet använde de två enheterna som kördes parallellt för att välja det pH-intervall som krävdes för bärarseparation och optimerade processen med hjälp av maskininlärning.

pH-gradienten åstadkom vad filter och centrifuger inte kunde: Den fick exRNA-bärarna som flöt i strömmen att sortera sig själva som färger på ljus som passerar genom ett prisma. De olika typerna av bärare bildade linjer längs sina isoelektriska punkter där de enkelt kunde flöda ut i separata utlopp.

Tack vare den nya metoden kunde forskargruppen generera mycket rena prover (upp till 97% rena) med hjälp av mindre än en milliliter blodplasma, saliv eller urin. Processen var också blixtsnabb jämfört med dagens metoder. Medan de bästa befintliga teknikerna tar ungefär en dag att uppnå separation, kunde Notre Dame-teamet fullständigt sortera sitt prov på bara en halvtimme.

”Vi har ansökt om patent och hoppas snart kunna kommersialisera tekniken så att den kan bidra till att förbättra diagnoserna av cancer och andra sjukdomar”, säger Sharma, som vann flera utmärkelser för sitt arbete med studien från Notre Dames Harper Cancer Research Institute.

”Icke smittsamma sjukdomar står för mer än 70 procent av dödsfallen i världen, och hjärt-kärlsjukdomar och cancer står för merparten av dessa”, säger Sharma. ”Vår teknik visar en väg till att förbättra hur läkare diagnostiserar dessa sjukdomar, och det skulle kunna rädda ett enormt antal liv.”

Ytterligare information: Himani Sharma et al, A Scalable High-Throughput Isoelectric Fractionation Platform for Extracellular Nanocarriers: Comprehensive and Bias-Free Isolation of Ribonucleoproteins from Plasma, Urine, and Saliva, ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c01340

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.