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Onde Sonore Viste Con PC

 

Le cellule secernono pacchetti di sostanze chiamati esosomi, a livello di nanoscala, che portano messaggi importanti da una parte del corpo ad un'altra. Gli scienziati del MIT e di altre istituzioni hanno realizzato un modo per intercettare questi messaggi, che potrebbe essere utilizzato per diagnosticare problemi come il cancro o le anomalie fetali.

Il loro nuovo dispositivo utilizza una combinazione di dispositivi microfluidici e di onde sonore per isolare questi esosomi dal sangue. I ricercatori sperano di incorporare questa tecnologia in un dispositivo portatile che possa analizzare i campioni di sangue del paziente per una diagnosi rapida, senza coinvolgere il metodo di ultracentrifugazione, ingombrante e di lunga durata, comunemente usato oggi.

Il Dott. Ming Dao, uno dei principali ricercatori presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Materiali del MIT e autore maggiore dello studio, pubblicato su Proceedings dell'Accademia Nazionale delle Scienze, ha affermato: "Questi esosomi contengono spesso molecole specifiche che sono una firma di certe anomalie. Se essi si isolano dal sangue, è possibile effettuare analisi biologiche e vedere cosa rivelano." L'apparecchiatura consiste in un dispositivo microfluidico che utilizza onde sonore per separare gli esosomi da altri componenti del sangue.

Gli autori senior della ricerca includono anche Subra Suresh, presidente designato dell'Università Tecnologica di Nanyang a Singapore, il professore di Emergenza Vannevar Bush del MIT ed ex-decano di ingegneria presso il MIT. Tony Jun Huang, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la Duke University e Yoel Sadovsky, direttore del Magee-Women's Research Institute. L'autore principale dell'articolo è lo studente di laurea Mengxi Wu.

Nel 2014, la stessa squadra di ricercatori ha segnalato per la prima volta di essere in grado di separare le cellule esponendole a onde sonore, mentre fluiscono attraverso un piccolo canale. Questa tecnica offre un'alternativa più dolce alle altre tecnologie di selezione delle cellule, che richiedono di tagliare le cellule con sostanze chimiche o esporle a forze meccaniche più forti che possono danneggiarle.

Da allora, i ricercatori hanno dimostrato che questa tecnologia può essere usata per isolare rare cellule tumorali circolanti da un campione di sangue. Nel loro nuovo studio, hanno iniziato con lo scopo di catturare gli esosomi. Queste vescicole, che di solito hanno circa da 30 a 150 nanometri di diametro, possono trasportare proteine, RNA o altre importanti molecole cellulari.

Precedenti studi avevano mostrato che i contenuti degli esosomi possono servire come marcatori per disordini come il cancro, le malattie neurodegenerative e le malattie renali, fra le altre patologie. Tuttavia, i metodi esistenti per l'isolamento degli esosomi richiedono una centrifugazione ad alta velocità, che richiede quasi 24 ore per essere eseguita, utilizzando una grande macchina che non è portatile. Le forze centrifughe elevate possono anche danneggiare le vescicole.

"Le onde sonore acustiche sono molto più dolci", ha detto Dao. "Queste particelle sperimentano tali forze per un secondo o meno finché vengono separate, un grande vantaggio". Il dispositivo di scorrimento acustico originario dei ricercatori è costituito da un canale microfluidico esposto a due trasduttori acustici inclinati. Quando le onde sonore prodotte da questi trasduttori si incontrano, formano forti onde che generano una serie di nodi di pressione. Ogni volta che una cellula o una particella fluisce attraverso il canale e incontra un nodo, la pressione guida la cellula un po' più lontano dal centro. La distanza del movimento delle cellule dipende dalle dimensioni e da altre proprietà, come la compressibilità, che consente di separare le cellule di diverse dimensioni entro il momento in cui raggiungono la fine del canale.

Per isolare gli esosomi, i ricercatori hanno costruito un dispositivo con due tali unità in tandem. Nel primo, le onde sonore vengono utilizzate per rimuovere le cellule e le piastrine da un campione di sangue. Una volta rimosse le cellule e le piastrine, il campione entra in una seconda unità microfluidica che utilizza onde sonore di frequenza più elevata per separare gli esosomi da vescicole extracellulari leggermente più grandi. Utilizzando questo dispositivo occorrono meno di 25 minuti per elaborare un campione di sangue non diluito di 100 microlitri.

"La nuova tecnica può affrontare gli inconvenienti delle attuali tecnologie per l'isolamento esosomico, come il lungo periodo di rotazione, l'incoerenza, la bassa resa, la contaminazione e l'integrità esotica incerta", ha affermato Huang. "Vogliamo fare estrazioni di esosomi di alta qualità, in maniera semplice come spingere un pulsante e ottenere i campioni desiderati entro 10 minuti." Suresh ha riferito: "Questo lavoro fornisce un modo nuovo per catturare esosomi da campioni di fluidi umani attraverso una combinazione unica di microfluidica e acustica, utilizzando tecnologie avanzate di microfabbricazione. La capacità di questo metodo di separare queste vescicole a nanoscale, essenzialmente senza alterarne le caratteristiche biologiche o fisiche, offre opportunità interessanti per sviluppare nuovi modi per valutare la salute umana, nonché l'insorgenza e la progressione delle malattie."

Questo nuovo metodo di isolamento esosomico "può portare un nuovo paradigma nella diagnosi e nella prognosi delle malattie", ha affermato Taher Saif, professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università dell'Illinois di Urbana-Champaign. "Questa ricerca presenta un metodo on-chip non invasivo, etichettato e biocompatibile per isolare rapidamente esosomi dal sangue con ultrasuoni di precisione", afferma inoltre Saif, che non è stato coinvolto nella ricerca.

Il gruppo di ricerca ora intende utilizzare questa tecnologia per cercare biomarcatori che possono rivelare stati di malattia. Dispongono di una donazione congiunta da parte degli Istituti Nazionali di Salute per cercare marcatori relativi alla gravidanza anormale e ritengono che la tecnologia possa essere utilizzata per aiutare a diagnosticare anche altre condizioni sanitarie.
"La nuova tecnologia acustica-fluidica ha il potenziale per migliorare notevolmente il processo di isolamento di esosomi e di altre vescicole extracellulari dal sangue e da altri fluidi corporei", ha affermato Sadovsky. "Questo aggiungerà una nuova dimensione alla ricerca denominata 'biopsia liquida' e faciliterà l'uso clinico delle vescicole extracellulari per ottenere informazioni circa la fisiologia e la salute di organi a cui è difficile accedere, come la placenta durante la gravidanza umana."

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