虚拟支柱分离和分类基于血液的纳米粒子

杜克大学的工程师开发了一种设备，该设备使用声波在几分钟内分离和分类血液中发现的最微小的颗粒。该技术基于一种称为“虚拟支柱”的概念，可能对科学研究和医学应用都有好处。

被称为“小细胞外囊泡”(sEV) 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。这项新技术被称为通过波柱激发共振进行的声学纳米级分离，简称 ANSWER，它不仅能在 10 分钟内从生物流体中提取出这些纳米粒子，还能将它们分类为据信具有不同生物学作用的大小类别。

结果于 11 月 23 日在线发表在《科学进展》杂志上。

“这些纳米颗粒在医学诊断和治疗方面具有巨大潜力，但目前用于分离和分选它们的技术需要数小时或数天，而且不一致，产量或纯度低，受到污染，有时还会损坏纳米颗粒，”Tony Jun Huang 说。 ，杜克大学机械工程和材料科学的 William Bevan 特聘教授。

Huang 说：“我们希望让高质量 sEV 的提取和分类变得像按下按钮一样简单，并且获得所需样本的速度比洗澡还快。”

最近的研究表明，sEV 由几个具有不同尺寸(例如，小于 50 纳米、60 至 80 纳米以及 90 至 150 纳米)的子组组成。每种尺寸被认为具有不同的生物学特性。

最近发现的 sEV 亚群令研究人员兴奋不已，因为它们有可能彻底改变非侵入性诊断领域，例如癌症和阿尔茨海默病的早期检测。但是这些颗粒还没有进入临床环境。

Huang 说，这主要是由于分离和隔离这些纳米尺寸的 sEV 亚群存在困难。为应对这一挑战，Huang 和他的博士生张金新以及加州大学洛杉矶分校、哈佛大学和 Magee-Womens 研究所的合作者开发了 ANSWER 平台。

该设备使用一对换能器产生驻声波，该声波包围充满流体的狭窄封闭通道。声波通过通道壁“泄漏”到液体中心并与原始驻声波相互作用。通过对壁厚、通道尺寸和声音频率的精心设计，这种相互作用产生了一种共振，沿着通道中心形成了“虚拟支柱”。

这些虚拟柱子中的每一个本质上都是一个半蛋形的高压区域。当粒子试图穿过柱子时，它们会被推向通道的边缘。颗粒越大，推力越大。通过调整一系列虚拟柱子以在行进的纳米粒子上产生细微的力，研究人员可以根据手头实验的需要将它们按大小精确地分类到各种组中。

“ANSWER EV 分馏技术是精确 EV 分馏的最先进能力，它将显着影响 EV 诊断、预后和液体活检的前景，”加州大学洛杉矶分校口腔/头颈肿瘤研究中心主任 David Wong 说。

在这篇新论文中，研究人员展示了他们的 ANSWER 平台可以成功地将 sEV 分为三个子组，对于较大光谱端的纳米粒子准确率为 96%，对于最小光谱端准确率为 80%。他们还展示了系统的灵活性，通过简单更新声波参数来调整分组数量和大小范围。每个实验仅需 10 分钟即可完成，而超速离心等其他方法可能需要数小时或数天。

“由于其非接触性质，ANSWER 提供了一种生物相容性方法来分离生物纳米粒子。” 张说。“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，并且可以通过改变输入声功率来精确修改截止直径。”

展望未来，研究人员将继续改进 ANSWER 技术，使其能够有效纯化其他与生物学相关的纳米粒子，如病毒、抗体和蛋白质。