Peser les particules à l'échelle de l'attogramme

Les ingénieurs du MIT ont mis au point un moyen de mesurer la masse des particules avec une résolution meilleure qu'un attogramme - un millionième de billionième de gramme. Peser ces minuscules particules, comprenant à la fois des nanoparticules synthétiques et des composants biologiques des cellules, pourrait aider les chercheurs à mieux comprendre leur composition et leur fonction.

Le système s'appuie sur une technologie précédemment développée par Scott Manalis, professeur de génie biologique et mécanique au MIT, pour peser des particules plus grosses, telles que des cellules. Ce système, connu sous le nom de résonateur à microcanaux suspendus (SMR), mesure la masse des particules lorsqu'elles circulent dans un canal étroit.

En réduisant la taille de l'ensemble du système, les chercheurs ont pu augmenter sa résolution à 0,85 attogramme, soit une amélioration de plus de 30 fois par rapport à la génération précédente de l'appareil.

Nous pouvons désormais peser les petits virus, les vésicules extracellulaires et la plupart des nanoparticules manipulées qui sont utilisées pour la nanomédecine, explique Selim Olcum, postdoctorant au laboratoire de Manalis et l'un des principaux auteurs d'un article décrivant le système dans le numéro de cette semaine de la Actes de l'Académie nationale des sciences .

L'étudiant diplômé Nathan Cermak est également l'auteur principal de l'article, et Manalis, membre du MIT Institut Koch pour la recherche intégrative sur le cancer , est l'auteur principal de l'article. Des chercheurs des laboratoires des professeurs du MIT et des membres de l'Institut Koch Angela Belcher et Sangeeta Bhatia ont également contribué à l'étude.

Un petit capteur pour les petites particules

Manalis a développé le système SMR pour la première fois en 2007 pour mesurer la masse des cellules vivantes, ainsi que des particules aussi petites qu'un femtogramme (un quadrillionième de gramme, soit 1 000 attogrammes). Depuis lors, son laboratoire a utilisé l'appareil pour suivre la croissance cellulaire au fil du temps , mesurer la densité cellulaire , et mesurer d'autres propriétés physiques, telles que la rigidité .

Le capteur de masse d'origine consiste en un microcanal rempli de fluide gravé dans un minuscule cantilever en silicium qui vibre à l'intérieur d'une cavité sous vide. Au fur et à mesure que les cellules ou les particules traversent le canal, une à la fois, leur masse modifie légèrement la fréquence de vibration du porte-à-faux. La masse de la particule peut être calculée à partir de ce changement de fréquence.

Pour rendre l'appareil sensible aux masses plus petites, les chercheurs ont dû réduire la taille du porte-à-faux, qui se comporte un peu comme un plongeoir, explique Olcum. Lorsqu'un plongeur rebondit au bout d'un plongeoir, il vibre avec une très grande amplitude et à basse fréquence. Lorsque le plongeur plonge dans l'eau, la planche se met à vibrer beaucoup plus vite car la masse totale de la planche a considérablement baissé.

Pour mesurer des masses plus petites, un plongeoir plus petit est nécessaire. Si vous mesurez des nanoparticules avec un grand porte-à-faux, c'est comme avoir un énorme plongeoir avec une petite mouche dessus. Lorsque la mouche saute, vous ne remarquez aucune différence. C'est pourquoi nous avons dû fabriquer de très petits plongeoirs, explique Olcum.

Dans une étude précédente, des chercheurs du laboratoire de Manalis ont construit un porte-à-faux de 50 microns, soit environ un dixième de la taille du porte-à-faux utilisé pour mesurer les cellules. Ce système, connu sous le nom de résonateur à nanocanaux suspendu (SNR), était capable de peser des particules aussi légères que 77 attogrammes à la vitesse d'une particule ou de deux par seconde.

Le cantilever de la nouvelle version du dispositif SNR mesure 22,5 microns de long et le canal qui le traverse mesure 1 micron de large et 400 nanomètres de profondeur. Cette miniaturisation rend le système plus sensible car elle augmente la fréquence de vibration du cantilever. À des fréquences plus élevées, le porte-à-faux est plus réactif aux plus petits changements de masse.

Les chercheurs ont obtenu un autre gain de résolution en faisant passer la source de vibration du cantilever d'une excitation électrostatique à une excitation piézoélectrique, ce qui produit une plus grande amplitude et, à son tour, diminue l'impact des vibrations parasites qui interfèrent avec le signal qu'ils essaient de mesurer.

Avec ce système, les chercheurs peuvent mesurer près de 30 000 particules en un peu plus de 90 minutes. En l'espace d'une seconde, nous avons quatre ou cinq particules qui traversent, et nous pourrions potentiellement augmenter la concentration et faire passer les particules plus rapidement, dit Cermak.

Analyse de particules

Pour démontrer l'utilité de l'appareil dans l'analyse des nanoparticules manufacturées, l'équipe du MIT a pesé des nanoparticules constituées d'ADN lié à de minuscules sphères d'or, ce qui leur a permis de déterminer combien de sphères d'or étaient liées à chaque échafaudage ADN-origami. Ces informations peuvent être utilisées pour évaluer le rendement, ce qui est important pour développer des nanostructures précises, telles que des échafaudages pour les nanodispositifs.

Les chercheurs ont également testé le système SNR sur des nanoparticules biologiques appelées exosomes - des vésicules qui transportent des protéines, de l'ARN ou d'autres molécules sécrétées par les cellules - qui joueraient un rôle dans la signalisation entre des emplacements distants du corps.

Ils ont découvert que les exosomes sécrétés par les cellules hépatiques et les fibroblastes (cellules qui composent le tissu conjonctif) avaient des profils de distribution de masse différents, suggérant qu'il pourrait être possible de distinguer les vésicules qui proviennent de différentes cellules et peuvent avoir différentes fonctions biologiques.

Les chercheurs étudient maintenant l'utilisation du dispositif SNR pour détecter les exosomes dans le sang de patients atteints de glioblastome (GBM), un type de cancer du cerveau. Ce type de tumeur sécrète de grandes quantités d'exosomes, et le suivi des changements de leur concentration pourrait aider les médecins à surveiller les patients pendant qu'ils sont traités.

Les exosomes de glioblastome peuvent désormais être détectés en mélangeant des échantillons de sang avec des nanoparticules magnétiques recouvertes d'anticorps qui se lient aux marqueurs trouvés sur les surfaces des vésicules, mais le SNR pourrait fournir un test plus simple.

Nous sommes particulièrement enthousiastes à l'idée d'utiliser la haute précision du SNR pour quantifier les microvésicules dans le sang des patients atteints de GBM. Bien qu'il existe des approches basées sur l'affinité pour isoler des sous-ensembles de microvésicules, le SNR pourrait potentiellement fournir un moyen sans marqueur de dénombrer les microvésicules qui est indépendant de leur expression à la surface, dit Manalis.

La recherche a été financée par le US Army Research Office par le biais de l'Institute for Collaborative Biotechnologies, du Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, de la National Science Foundation et du National Cancer Institute.

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