Акустическая микрофлюидика помогла выделить из крови экзосомы

С помощью микрофлюидного устройства удалось выделить из образца крови экзосомы с чистотой фракции 98 процентов. Для этого группа ученых из США объединила микрофлюидику с акустическими волнами. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Выделение отдельных фракций из полидисперсных систем, например образцов крови, — один из наиболее используемых микрофлюидных методов. Основанные на различных методах разделения устройства уже сейчас используются для выделения из крови эритроцитов, разделения раковых клеток и здоровых или сепарации неклеточных компонентов крови. Как правило, принципы методов основаны на отличии частиц по плотности, размерам, заряду или упругим свойствам их мембран.

Актуальной задачей для медицинской диагностики сейчас стало выделение из крови экзосом — внеклеточных везикул, которые в организме человека выполняют функцию доставки веществ, например белков и РНК, и взаимодействия между клетками. А в медицинской диагностике экзосомы предлагают использовать в качестве биомаркеров для определения рака, заболеваний почек и нейродегенеративных заболеваний.

В своей новой работе коллектив ученых из США разработал новый метод выделения экзосом из образца крови. Для этого они предложили совместить микрофлюидную систему из тонких каналов с акустическими волнами. Акустические волны не в первый раз используются для управления коллоидными объектами в микрофлюидных устройствах, но впервые их предлагают применять для неразбавленных проб крови.

Принцип действия акустических волн заключается в следующем. Акустический генератор создает две последовательные акустические волны в микроканале, направленные почти под прямым углом к потоку. В результате этого внутри канала создается периодическое поле давления, так что коллоидные частицы (клетки, везикулы и другие компоненты пробы крови) стремятся занять узловые линии. Так как частицы имеют разный размер и, соответственно, испытывают разное сопротивление со стороны жидкости, то и к положениям равновесия они движутся с разной скоростью, что позволяет фракционировать частицы по размеру. Однако как только частицы достигают равновесного положения, двигаться дальше поперек канала они уже не будут вне зависимости от своего размера. Поэтому, изменяя частоту акустической волны, можно управлять чувствительностью разделения.

Предложенное в данной работе устройство состоит из двух основных модулей с разной частотой акустических колебаний. С помощью первого модуля и акустической волны частотой около 20 мегагерц ученые сначала удалили из образца все объекты размером больше 1 микрона. В первую очередь, это клетки крови — эритроциты, лейкоциты и тромбоциты. Таким образом была образована фаза, состоящая из смеси мелких объектов, в основном внеклеточных везикул. На втором этапе исследователи использовали акустические колебания частотой около 40 мегагерц, что позволило им выделить необходимую фракцию экзосом размером около 110 нанометров.

Сначала ученые проверили отдельные компоненты устройства на модельных системах, состоящих из полистирольных сферических частиц различного размера, а затем перешли к выделению необходимой фракции экзосом уже из пробы крови. По утверждению авторов работы, в результате двухстадийного разделения им удалось добиться абсолютно чистой фракции, на 98 процентов состоящей из экзосом.

Помимо высокого выхода, исследователи отмечают возможность практически автоматической обработки пробы крови без предварительной подготовки. Это приводит к заметному повышению скорости анализа и, например, позволяет обработать пробу крови объемом 100 микролитров всего за 25 минут. 

Разделение на отдельные компоненты — далеко не единственное важное приложение микрофлюидных устройств в медицине. Например, недавно микрофлюидика помогла значительного увеличить точность иммунохимического анализа.

Александр Дубов