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. Pesant ces minuscules particules, comprenant à la fois des nanoparticules synthétiques et des composants biologiques des cellules, pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre leur composition et leur fonction.

Le système s'appuie sur une technologie précédemment développée par Scott Manalis, un professeur MIT de génie biologique et mécanique, pour peser des particules plus grosses, comme les cellules. Ce système, connu sous le nom de résonateur à microcanaux suspendu (SMR), mesure la masse des particules lorsqu'elles s'écoulent 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.

« Maintenant, nous pouvons peser les petits virus, vésicules extracellulaires, et la plupart des nanoparticules manufacturées qui sont utilisées pour la nanomédecine, " dit Selim Olcum, un post-doctorant dans le laboratoire de Manalis et l'un des principaux auteurs d'un article décrivant le système dans le numéro de cette semaine du Actes de l'Académie nationale des sciences .

L'étudiant diplômé Nathan Cermak est également l'auteur principal de l'article, et Manalis, membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT, 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 d'abord développé le système SMR en 2007 pour mesurer la masse des cellules vivantes, ainsi que des particules aussi petites qu'un femtogramme (un quadrillionième de gramme, ou 1, 000 attogrammes). Depuis, 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, comme la rigidité.

Le capteur de masse d'origine se compose d'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 s'écoulent dans le canal, un à la fois, leur masse modifie légèrement la fréquence de vibration du cantilever. La masse de la particule peut être calculée à partir de ce changement de fréquence.

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

Pour mesurer des masses plus petites, un plus petit « plongeoir » 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. Quand la mouche saute, vous ne remarquez aucune différence. C'est pourquoi nous avons dû fabriquer de très petits plongeoirs, " dit Olcum.

Dans une étude précédente, les 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 une vitesse d'une particule ou deux par seconde.

Le cantilever de la nouvelle version du dispositif SNR mesure 22,5 microns de long, et le canal qui le traverse a une largeur de 1 micron et une profondeur de 400 nanomètres. Cette miniaturisation rend le système plus sensible car elle augmente la fréquence de vibration du cantilever. A des fréquences plus élevées, le cantilever est plus sensible 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, 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 en 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 d'ADN liées 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, tels que les échafaudages pour les nanodispositifs.

Les chercheurs ont également testé le système SNR sur des nanoparticules biologiques appelées exosomes, des vésicules qui transportent des protéines, ARN, ou d'autres molécules sécrétées par les cellules, qui sont censées jouer un rôle dans la signalisation entre des emplacements distants dans le 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 peut 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 des 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 dans 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 en surface, " dit Manalis.