Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Möglichkeit erdacht, um die Masse von Teilchen mit einer Genauigkeit zu messen, die besser als ein Attogramm ist – das entspricht einem Millionstel Billionstel Gramm. Das Wiegen dieser winzigen Partikel, sowohl synthetischer Nanopartikel als auch biologischer Zellbestandteile, könnte Forschern dabei helfen, ihre Zusammensetzung und Funktion besser zu verstehen.
Das System setzt auf einer Technologie auf, die zuvor von Scott Manalis entwickelt wurde, einem Professor für biologisches und mechanisches Ingenieurswesen am MIT. Mit der Technologie können größere Partikel wie beispielsweise Zellen gewogen werden. Dieses System wird als Suspended Microchannel Resonator (SMR) bezeichnet und misst die Masse der Teilchen, wenn sie durch einen schmalen Kanal fließen. Indem sie die Größe des gesamten Systems reduzierten, waren die Forscher in der Lage, seine Auflösung auf 0,85 Attogramm zu erhöhen – das ist eine mehr als 30-fache Verbesserung gegenüber der vorherigen Generation des Instruments.
“Jetzt können wir kleine Viren, extrazelluläre Vesikel und die meisten künstlich hergestellten Nanopartikel wiegen, die in der Nanomedizin verwendet werden”, sagte Selim Olcum, ein Postdoktorand in Manalis Labor. Er ist einer der leitenden Autoren einer Abhandlung, die das System beschreibt und in der dieswöchigen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wird.
Der Student Nathan Cermak ist ebenfalls leitender Autor der Abhandlung und Manalis, ein Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research, ist Senior-Autor. Labormitarbeiter des Professors und die Mitglieder des Koch Institute Angela Belcher und Sangeeta Bhatia trugen zu der Arbeit bei.
Ein kleiner Sensor für kleine Teilchen
Manalis entwickelte das SMR-System im Jahr 2007, um die Masse von lebenden Zellen und Teilchen bis zu einem Gewicht von einem Femtogramm (ein Billiardstel Gramm oder 1.000 Attogramm) zu messen. Seitdem wurde das Gerät in dem Labor benutzt, um das Zellwachstum im im zeitlichen Verlauf zu verfolgen und die Zelldichte sowie andere physikalische Eigenschaften zu messen, zum Beispiel die Steifigkeit.
Der ursprüngliche Massensensor besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten Mikrokanal, der in einen winzigen Siliziumträger eingeätzt wurde, welcher innerhalb eines Vakuumhohlraums vibriert. Wenn Zellen oder Teilchen nacheinander durch den Kanal fließen, ändern ihre Massen geringfügig die Vibrationsfrequenz des Trägers. Die Masse des Teilchens kann dann aus der Frequenzänderung berechnet werden.
Um das Instrument empfindlich für kleinere Massen zu machen, mussten die Wissenschaftler die Größe des Trägers verringern, der ähnlich wie ein Sprungbrett funktioniert. Wenn ein Springer auf dem Ende eines Sprungbretts springt, vibriert es mit einer sehr großen Amplitude und geringer Frequenz. Wenn der Springer ins Wasser springt, beginnt das Sprungbrett viel schneller zu vibrieren, weil die Gesamtmasse des Sprungbretts beträchtlich kleiner geworden ist.
Für die Messung kleinerer Massen ist ein kleineres “Sprungbrett” erforderlich. “Wenn man Nanoteilchen mit einem großen Träger misst, ist es so, als hätte man ein großes Sprungbrett mit einer winzigen Fliege darauf. Wenn die Fliege springt, bemerkt man keinen Unterschied. Darum mussten wir sehr kleine Sprungbretter entwickeln”, sagte Olcum.
Im Rahmen einer vorherigen Studie bauten die Forscher in Manalis Labor einen 50 Mikrometer großen Träger – das entspricht etwa einem Zehntel der Trägergröße, die für die Messung von Zellen benutzt wurde. Dieses System, Suspended Nanochannel Resonator (SNR) genannt, konnte Teilchen wiegen, die bis zu 77 Attogramm schwer waren. Die Messrate betrug ein oder zwei Teilchen pro Sekunde.
Der Träger in der neuen Version des SNR-Instruments ist 22,5 Mikrometer lang – der Kanal ist einen Mikrometer breit und 400 Nanometer tief. Diese Miniaturisierung macht das System empfindlicher, weil es die Vibrationsfrequenz des Trägers erhöht. Bei höheren Frequenzen ist der Träger empfänglicher für kleinere Massenveränderungen.
Die Forscher erreichten eine weitere Verbesserung der Auflösung, indem sie von einer elektrostatischen auf eine piezoelektrische Anregung als Vibrationsquelle des Trägers wechselten. Diese Art der Anregung erzeugt eine größere Amplitude und verringert dadurch den Einfluss störender Vibrationen, welche sich mit dem Signal überlagern, das sie zu messen versuchen.
Mit diesem System können die Wissenschaftler fast 30.000 Teilchen in etwas mehr als 90 Minuten messen. “In einer Sekunde durchlaufen vier oder fünf Partikel den Kanal und wir könnten die Konzentration möglicherweise noch steigern und die Teilchen schneller durchlaufen lassen”, sagte Cermak.
Teilchenanalyse
Um die Brauchbarkeit des Instruments bei der Analyse künstlich hergestellter Nanopartikel zu demonstrieren, wog das MIT-Team Nanoteilchen, die aus DNA bestanden, welche an winzige Goldkügelchen gebunden war. Das System erlaubte den Forschern zu bestimmen, wie viele Goldkügelchen an jedes DNA-Origamigerüst gebunden waren. Diese Information kann verwendet werden, um die Produktion zu beurteilen, was wichtig für die Entwicklung präziser Nanostrukturen ist, etwa für Gerüste von Nanokonstruktionen.
Die Forscher testeten das SNR-System auch an biologischen Nanoteilchen namens Exosomen – das sind Vesikel, die Proteine, RNA oder andere von Zellen ausgeschiedene Moleküle tragen. Man vermutet, dass sie eine Rolle bei der Signalgebung zwischen entfernten Stellen im Körper spielen.
Sie stellten fest, dass Exosome, die von Leberzellen und Fibroplasten (Bindegewebezellen) ausgeschieden wurden, verschiedene Profile der Massenverteilung hatten. Dies spricht dafür, dass es möglich sein könnte, Vesikel zu unterscheiden, die aus verschiedenen Zellen stammen und verschiedene biologische Funktionen haben.
Das Team verwendet das SNR-Instrument jetzt, um Exosome im Blut von Patienten mit Glioblastom (GMB) zu registrieren, einer Art Gehirntumor. Dieser Tumortyp scheidet große Mengen Exosome aus und die Verfolgung von Veränderungen in ihrer Konzentration könnte Ärzten helfen, die Patienten während der Behandlung zu überwachen.
Glioblastom-Exosome können derzeit nachgewiesen werden, wenn Blutproben mit magnetischen Nanoteilchen vermischt werden, welche mit Antikörpern überzogen sind. Die Antikörper binden sich an Marker, die auf den Oberflächen der Vesikel vorhanden sind, aber das SNR-System könnte einen einfacheren Test bereitstellen.
“Wir sind besonders aufgeregt, die hohe Präzision des SNR-Systems zu benutzen, um die Menge von Mikrovesikeln im Blut von GBM-Patienten zu bestimmen. Obwohl es Ansätze gibt, Unterklassen von Mikrovesikeln auf Basis der chemischen Verwandtschaft zu isolieren, könnte das SNR-System möglicherweise ein Mittel für die Zählung von Mikrovesikeln liefern, das unabhängig von ihrer Oberflächenexpression ist”, sagte Manalis.
Die Arbeit wurde vom U.S. Army Research Office durch das Institute for Collaborative Biotechnologies, das Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, die National Science Foundation und das National Cancer Institute finanziert.
Quelle: http://web.mit.edu/newsoffice/2014/weighing-particles-at-the-attogram-scale-0113.html
(THK)
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