Ученые IBM разработали первую «лабораторию на чипе» (микросистему полного анализа), способную фильтровать биологические частицы на наноуровне. Она позволит врачам диагностировать такие заболевания, как рак, до появления первых симптомов у пациента.
Как сообщает журнал Nature Nanotechnology, команде IBM удалось отфильтровать биочастицы размером до 20 нанометров (нм) в диаметре, которые включают также такие важные частицы, как ДНК, вирусы и экзосомы. Анализ выделенных частиц поможет врачам выявить признаки заболеваний до появления физических симптомов, когда шансы на успешный исход лечения наиболее высоки. До сих пор похожие технологии могли улавливать только объекты в 50 раз крупнее, например, отделять циркулирующие опухолевые клетки от остальных биологических компонентов.
IBM занимается разработкой новой технологии совместно со Школой медицины Икан на горе Синай и планирует протестировать ее при диагностике рака простаты, самого распространенного ракового заболевания среди американских мужчин.
В эру прецизионной медицины экзосомы рассматриваются в качестве полезных биомаркеров при диагностике и прогнозировании злокачественных опухолей. Экзосомы содержатся в легкодоступных жидкостях организма, например, в крови, слюне или моче. Они являются ценным биомедицинским инструментом, поскольку их можно использовать при неинвазивной жидкой биопсии, и таким образом изучить причины возникновения и характер рака.
При разработке «лаборатории на чипе» ученые IBM ориентировались на экзосомы, поскольку существующие системы не могут отфильтровать эти микрочастицы из жидких биопсий. Экзосомы, размер которых варьируется от 20 до 140 нм, содержат информацию о жизнеспособности той клетки, из которой они были извлечены. Переносимые экзосомами данные о размере, поверхностные белки и нуклеиновая кислота могут указывать на наличие и степень развития рака и других заболеваний.
Эксперименты IBM показали, что можно обнаруживать и отделять от более мелких частиц размером до 20 нм, что экзосомы размером от 100 нм можно отделить от более мелких экзосом, и что это отделение может происходить несмотря на диффузию, характерное свойство динамики частиц при таком маленьком масштабе. Совместно со Школой медицины Икан на горе Синай IBM планирует доказать, что новая технология способна извлекать из жидких биопсий пациента экзосомы, содержащие специфические биомаркеры рака.
«Способность сортировать и пополнять биомаркеры на наноуровне с помощью «лабораторий на чипе» открывает путь к пониманию природы таких заболеваний, как рак и вирусные инфекции, например, грипп или вирус Зика, — сказал Густаво Столовицкий, руководитель программы трансляционной системной биологии и нанобиотехнологии IBM Research. — Дополнительный запас времени позволит врачам принимать более обоснованные решения на ранних стадиях заболевания, когда лечение наиболее эффективно».
С помощью технологии IBM и способности сортировать биочастицы на наноуровне, Школа медицины Икан на горе Синай надеется считывать информацию, содержащуюся в экзосомах и служащую для межклеточного взаимодействия. Это поможет прояснить важные вопросы биологии заболеваний, а также откроет путь к применению неинвазивных и, следовательно, доступных даже в домашних условиях инструментов диагностики. Регулярный мониторинг межклеточных процессов позволит медикам следить за индивидуальным состоянием здоровья пациента или развитием заболевания.
«Когда мы опережаем болезнь, мы неплохо с ней справляемся. Когда же болезнь впереди нас, лечение оказывается гораздо сложнее. Одним из важнейших достижений нашего сотрудничества с IBM является создание базы для выявления определенных состояний экзосом. Они могут обнаруживаться до того, как появятся первые симптомы или болезнь начнет прогрессировать, — сказал Карлос Кордон-Кардо, доктор медицинских наук, президент департамента патологии Mount Sinai Health System и профессор патологии, генетики и геномных наук и онкологических наук в Школе медицины Икан. — Экспертиза Школы Икан в области рака и патологии, а также знания IBM в сфере системной биологии и новейшая технология фильтрации на наноуровне помогут нам в поиске специфических чувствительных биомаркеров в экзосомах. Благодаря этому мы сможем выявить рак на ранних стадиях и понять, как следует его лечить».
Технология «лаборатории на чипе» невероятно помогает врачам, позволяя гораздо быстрее, проще и легче диагностировать заболевания, не требуя при этом большого объема пробы. В дальнейшем планируется создать единый кремниевый чип, куда будут встроены все необходимые инструменты для анализа заболевания. Он сможет заменить полноценную биохимическую лабораторию.
Используя технологию наноразмерного детерминированного бокового смещения (nano-DLD), ученые IBM Джошуа Смит и Бенджамин Вунш разработали технологию «лаборатории на чипе», которая пропускает образец жидкости через кремниевый чип, содержащий асимметричный массив стержней. Эти стержни сортируют микроскопические потоки наночастиц, задерживая объекты размером до десятков нанометров. Уже созданный IBM чип имеет размер 2×2 см, однако ученые планируют увеличить плотность и тем самым повысить функциональность и производительность новой технологии.
Подобно тому, как по дороге через туннель могут проезжать только легковые машины, а грузовикам нужно ехать в объезд, набор стержней nano-DLD фильтрует поток частиц, пропуская через отверстия мельчайшие объекты и задерживая более крупные, не останавливая общий поток. Кроме того, ученые IBM заметили, что фильтры nano-DLD могут также распределять массив частиц разных размеров на отдельные потоки, подобно тому, как призма разделяет свет на разные цвета. В отличие от традиционных систем новая технология фильтрует частицы, не прерывая их движения.
Благодаря большому опыту IBM в области полупроводников и ее растущим возможностям в сфере экспериментальной биологии, исследователи разработали стержни nano-DLD для «лаборатории на чипе» на основе технологичных процессов с применением кремния. В рамках текущей стратегии ученые IBM собираются расширить число биочастиц, которые могут быть отфильтрованы с помощью технологии. Исследователи также планируют улучшить точность и специфические характеристики для применения в практической медицине.
