«Лаборатория на чипе» IBM: диагностика на наноуровне

Как сообщила корпорация IBM, ее исследователи разработали первую «лабораторию на чипе» (микросистему полного анализа), способную фильтровать биологические частицы на наноуровне. Она позволит диагностировать такие заболевания, как рак, до появления первых симптомов у пациента.

Согласно публикации в журнале Nature Nanotechnology, команде IBM удалось отфильтровать биочастицы размером до 20 нм в диаметре, которые включают 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 улавливали только объекты в 50 раз крупнее, например, они могли 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.

При разработке «лаборатории на чипе» ученые IBM ориентировались на экзосомы, поскольку существующие системы не могут отфильтровать эти микрочастицы из жидких биопсий. Экзосомы, частицы размером от 20 до 140 нм, содержат информацию о жизнеспособности клетки, из которой они были извлечены. В современной медицине они рассматриваются в качестве биомаркеров при диагностике и прогнозировании злокачественных опухолей. Экзосомы содержатся в легкодоступных жидкостях организма, например, в крови, слюне или моче.

Эксперименты IBM показали, что можно обнаруживать и отделять от более мелких частицы 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. С помощью технологии IBM и способности сортировать биочастицы на наноуровне Школа медицины Икан на горе Синай надеется считывать содержащуюся в экзосомах информацию, 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.

Технология «лаборатории на чипе» позволяет врачам быстрее и проще 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.

Ученые из IBM Джошуа Смит и Бенджамин Вунш, используя технологию наноразмерного детерминированного бокового смещения (nano-DLD), 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.

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.