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Engenheiros da Duke University desenvolveram um dispositivo que usa ondas sonoras para separar e classificar as menores partículas encontradas no sangue em questão de minutos. A tecnologia é baseada em um conceito chamado “pilares virtuais” e pode ser um benefício tanto para pesquisas científicas quanto para aplicações médicas.
Minúsculas nanopartículas biológicas chamadas “pequenas vesículas extracelulares” (sEVs) são liberadas de todos os tipos de células do corpo e acredita-se que desempenhem um grande papel na comunicação célula a célula e na transmissão de doenças. A nova tecnologia, apelidada de Separação Acústica em Nanoescala via Ressonância de Excitação de Pilar de Onda, ou ANSWER para abreviar, não apenas extrai essas nanopartículas de biofluidos em menos de 10 minutos, mas também as classifica em categorias de tamanho que se acredita terem papéis biológicos distintos.
Os resultados apareceram online em 23 de novembro na revista Avanços da ciência.
“Essas nanopartículas têm um potencial significativo no diagnóstico e tratamento médico, mas as tecnologias atuais para separá-las e classificá-las levam várias horas ou dias, são inconsistentes, produzem baixo rendimento ou pureza, sofrem contaminação e às vezes danificam as nanopartículas”, disse Tony Jun Huang , o Distinguished Professor William Bevan de Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais na Duke.
“Queremos tornar a extração e classificação de sEVs de alta qualidade tão simples quanto apertar um botão e obter as amostras desejadas mais rapidamente do que tomar um banho”, disse Huang.
Pesquisas recentes indicam que os sEVs são compostos por vários subgrupos com tamanhos distintos (por exemplo, menores que 50 nanômetros, entre 60 e 80 nanômetros e entre 90 e 150 nanômetros). Acredita-se que cada tamanho tenha diferentes propriedades biológicas.
A recente descoberta de subpopulações de sEV tem animado os pesquisadores devido ao seu potencial para revolucionar o campo de diagnósticos não invasivos, como a detecção precoce de câncer e doença de Alzheimer. Mas as partículas ainda não chegaram aos ambientes clínicos.
Huang disse que isso se deve em grande parte às dificuldades associadas à separação e isolamento dessas subpopulações de sEV de tamanho nanométrico. Para enfrentar esse desafio, Huang, seu aluno de doutorado Jinxin Zhang e colaboradores da UCLA, Harvard e Magee-Womens Research Institute desenvolveram a plataforma ANSWER.
O dispositivo usa um único par de transdutores para gerar uma onda sonora estacionária que envolve um canal estreito e fechado cheio de fluido. A onda sonora “vaza” para o centro líquido através das paredes do canal e interage com a onda sonora estacionária original. Com um design cuidadoso da espessura da parede, tamanho do canal e frequência do som, essa interação cria uma ressonância que forma “pilares virtuais” ao longo do centro do canal.
Cada um desses pilares virtuais é essencialmente uma região de alta pressão em forma de meio ovo. À medida que as partículas tentam atravessar os pilares, elas são empurradas em direção às bordas do canal. E quanto maiores as partículas, maior o empurrão. Ao ajustar a série de pilares virtuais para criar forças diferenciadas nas nanopartículas viajantes, os pesquisadores podem classificá-los com precisão por tamanho em uma variedade de grupos determinados pelas necessidades dos experimentos em questão.
“A tecnologia de fracionamento ANSWER EV é o recurso mais avançado para o fracionamento preciso de EV e terá um impacto significativo no horizonte de diagnósticos, prognósticos e biópsia líquida de EV”, disse David Wong, diretor do Centro de Pesquisa Oncológica Oral/Cabeça e Pescoço da UCLA.
No novo artigo, os pesquisadores demonstram que sua plataforma ANSWER pode classificar com sucesso os sEVs em três subgrupos com 96% de precisão para nanopartículas na extremidade maior do espectro e 80% de precisão para a menor. Eles também mostram flexibilidade em seu sistema, ajustando o número de agrupamentos e faixas de tamanhos com atualizações simples nos parâmetros da onda sonora. Cada um dos experimentos levou apenas 10 minutos para ser concluído, enquanto outros métodos, como a ultracentrifugação, podem levar várias horas ou dias.
“Devido à sua natureza sem contato, o ANSWER oferece uma abordagem biocompatível para a separação de nanopartículas biológicas.” disse Zhang. “Ao contrário dos métodos de filtragem mecânica, que têm diâmetros de corte de separação fixos, o ANSWER oferece uma abordagem ajustável para separação em nanoescala, e o diâmetro de corte pode ser modificado com precisão variando a potência acústica de entrada.”
No futuro, os pesquisadores continuarão aprimorando a tecnologia ANSWER para que ela possa ser eficiente na purificação de outras nanopartículas biologicamente relevantes, como vírus, anticorpos e proteínas.
Esta pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (UH3TR002978, R01HD103727, U18TR003778, R01GM132603, R01GM143439 R01GM135486, R01GM144417, R44AG063643) e pela National Science Foundation (CMMI-2104295, CMMI-2104526).
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