Революционизация раннего обнаружения болезней нано-биотехнологиями

Представьте будущее, где рутинные ежегодные чекапы дополняются доступным домашним диагностическим чипом. Анализируя единичный образец мочи, пациенты могут непрерывно мониторить свою базовую линию здоровья, и любые тонкие сдвиги биомаркеров — потенциальные ранние сигналы рака или вирусной инфекции — могут быть обнаружены оперативно.

Точечные тесты, такие как домашний тест на беременность, вышедший в 1970-х, трансформировали персональный мониторинг здоровья. Эти тесты обнаруживают хорионический гонадотропин в моче простой полоской, давая мгновенный результат без визита в клинику. Тот же принцип можно расширить для обнаружения гораздо более сложных условий, если мы сможем изолировать релевантные наночастицы из биологических жидкостей.

2 см × 2 см nanoDLD чип IBM Research, смонтированный в микролидном джиге

Переизобретение точечной диагностики

В IBM Research междисциплинарная команда под руководством д-ра Джошуа Смита, мастера-изобретателя и ученого, и д-ра Густава Столовицки, директора программы IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, переосмысливает кремниевые технологии для биомедицинского использования. Их цель: отделить наночастицы — такие как вирусные компоненты и опухолевые везикулы — от легко получаемых жидкостей вроде мочи или слюны.

Текущие методы разделения требуют дорогого оборудования, полной лаборатории и квалифицированных техников, делая частый скрининг непрактичным. Чип-базированное нанотехнологическое решение может предложить простую, доступную и быструю альтернативу, уполномачивающую клиницистов обнаруживать болезнь даже до возникновения симптомов.

nanoDLD: Двигатель инновации

Используя наноскопическое детерминированное боковое смещение (nanoDLD), жидкий образец течет через кремниевый чип с асимметричной массивом столбиков. Этот дизайн сортирует частицы по размеру: меньшие частицы зигзагают по потоку, в то время как более крупные смещаются латерально, аналогично транспортным средствам, вынужденным в правильную полосу на свободной дороге. Результат — непрерывное, размеро-разрешенное разделение до десятков нанометров.

Команда Смита и Столовицки успешно изолировала экзосомы размером до 20 нм — примерно 1/5000 человеческого волоса — вместе с ДНК, вирусами и белковыми комплексами. Эти крошечные биопартикулы могут нести критичную информацию о раннем начале болезни, вирусной экспозиции или прогрессировании болезни.

«Общественное воздействие этого исследования в том, что оно может позволить врачам обнаруживать рак рано… когда есть больше возможностей быть вылеченным», сказал Столовицкий. «Мы стремимся создать маленький, доступный диагностический инструмент, способный детектировать минимальные количества биомаркеров, информирующие клиницистов о здоровье пациента».

Масштаб биологии от человека до атомов и новые наноскопические диапазоны, которые достигает nanoDLD устройство IBM Research [полная инфографика]

Экзосомы: крошечные посланники, большие инсайты

В сотрудничестве с системой здравоохранения Mount Sinai, возглавляемой д-ром Карлос Кордон-Кардо, экспертиза Mount Sinai в онкопатологии дополняет биоинформатику и нанофлюидные технологии IBM. Экзосомы — клетковые везикулы, найденные в крови и моче — служат богатыми резервуарами белков, фрагментов ДНК и РНК, предлагая неинвазивный снимок клеточного общения.

«Клетки посылают сообщения через экзосомы, инкапсулируя белки, ДНК и РНК. Декодируя эти конверты, мы можем получить ранние предупреждающие сигналы болезни», объяснил Кордон-Кардо. «Экзосомы могут стать краеугольным камнем превентивного здравоохранения, позволяя нам выявлять проблемы до их клинического проявления».

С nanoDLD чипом клиницисты могут «подслушивать» межклеточные разговоры, моня сдвиги в экзосомном содержании, предшествующие откровенной патологии. Регулярный мониторинг может трансформировать управление болезнью в проактивное, а не реактивное предприятие.

Электронный микрограф экзосом на поверхности.

Рак простаты: кейс-стади раннего обнаружения

Рак простаты остается самым распространенным раком среди мужчин в США. Текущий скрининг опирается на тесты простато-специфического антигена (PSA), которые могут давать ложноположительные и ложноотрицательные результаты. Анализируя экзосомные биомаркеры, партнерство IBM–Mount Sinai надеется идентифицировать болезнь с более высокой чувствительностью и специфичностью.

«Экзосомы раскрывают, что обрабатывает раковая клетка, не нуждаясь в прикосновении к опухоли», сказал Столовицкий. «Обнаруживая их присутствие и содержимое, мы можем получить инсайты в биологию опухоли рано».

От лаборатории к постели больного

Недавняя публикация команды в Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/NNANO.2016.134) детализирует способность nanoDLD чипа разделять экзосомы до 20 нм. Следующие шаги включают увеличение пропускной способности, уточнение чипа для захвата частиц меньше 20 нм и валидацию биомаркеров в клинических образцах. Как только доказано, платформа эволюционирует в клинический, точечный уход прибор, который может зеркалить воздействие теста на беременность на женское здоровье.

Сноска:

*Nature Nanotechnology: Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20 nm, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (current affiliation: Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), and Yann Astier (current affiliation: Roche Molecular Systems)