Tecnología rompe récord de separación de biopartículas

Los científicos han desarrollado una nueva tecnología lab en chip que puede, por primera vez, separar las partículas biológicas en la nanoescala hasta 20 nanómetros de diámetro, una escala que da acceso a partículas importantes como el ADN, los virus y los exosomas. El avance podría permitir la detección de diversas enfermedades antes de que aparezcan los síntomas y facilitaría el uso de biopsias líquidas que son relativamente no invasivas.

 

El dispositivo fue desarrollado por un equipo dirigido por científicos del Centro de Investigación IBM Thomas J. Watson (Yorktown Heights, Nueva York, EUA). Una vez separadas, estas partículas se pueden analizar para revelar, potencialmente, signos de la enfermedad, incluso antes de que los pacientes experimenten síntomas físicos y cuando el resultado del tratamiento es más positivo. Hasta ahora, la biopartícula más pequeña que podía ser separada por tamaño con las tecnologías en el chip, eran aproximadamente 50 veces más grandes, por ejemplo, la separación de células tumorales circulantes de otros componentes biológicos. Los resultados del estudio también mostraron que la separación puede ocurrir a pesar de la difusión, una característica de la dinámica de las partículas en estas pequeñas escalas.

 

IBM Investigación se asoció con la Facultad de Medicina Icahn en el Monte Sinaí (Nueva York, EUA) para desarrollar las biopsias líquidas, basadas en exosomas utilizando la nanotecnología de IBM, y continuará la colaboración para desarrollar aún más este lab-en-un-chip y ensayarlo en el cáncer de próstata.

 

En la medicina de precisión, se ven cada vez más a los exosomas como biomarcadores valiosos para ayudar a revelar el origen y la naturaleza de un cáncer y para el diagnóstico y pronóstico de los tumores malignos. Los exosomas son liberados en los fluidos corporales fácilmente accesibles tales como la sangre, la saliva o la orina. El equipo de IBM se dirigió a los exosomas con su tecnología lab-en-un-chip, debido a los desafíos que enfrentan las técnicas existentes para la separación y la purificación de los exosomas en las biopsias líquidas. Los exosomas varían en tamaño de 20-14 nm y contienen información acerca de la salud de la célula originaria de la que se desprenden. La determinación del tamaño, las proteínas de la superficie y la carga de ácido nucleico, llevado por los exosomas, puede dar información esencial acerca de la presencia y el estado de desarrollo de cáncer y otras enfermedades. Con el Monte Sinaí, IBM espera confirmar que su tecnología puede recoger exosomas con biomarcadores específicos del cáncer de las biopsias líquidas de los pacientes.

 

“La capacidad de ordenar y enriquecer los biomarcadores en las tecnologías basadas en chips, en la nanoescala, abre la puerta a la comprensión de enfermedades como el cáncer, así como para los virus como la influenza o el Zika”, dijo Gustavo Stolovitzky, director del programa, de Biología de Sistemas Traslacionales y de Nanobiotecnología, en IBM Investigación.

 

Con la capacidad de clasificar las biopartículas en la nanoescala, el Monte Sinaí espera que la tecnología de IBM pueda proporcionar un nuevo método para espiar los mensajes entre las células, transportados por los exosomas, con el fin de monitorizar esta conversación intercelular. “Cuando estamos por delante de la enfermedad por lo general podemos enfrentarla adecuadamente; pero si la enfermedad está por delante de nosotros, el viaje suele ser mucho más difícil. Una de las novedades importantes que estamos ensayando en esta colaboración es tener los motivos básicos para identificar firmas de exosomas que pueden estar muy temprano antes de que aparezcan los síntomas o antes de que una enfermedad empeore”, dijo Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, del sistema de salud en el Monte Sinaí y de la Facultad de Medicina Icahn. “Reuniendo la experiencia en el campo en el cáncer del Monte Sinaí y la patología con la experiencia de la biología de sistemas de IBM y su más reciente tecnología de separación a nanoescala, la esperanza es buscar biomarcadores específicos y sensibles en los exosomas”.

 

Usando una tecnología llamada desplazamiento determinista lateral a nanoescala o nano-DLD, los científicos de IBM, Joshua Smith y Benjamin Wunsch, lideraron el desarrollo de una tecnología lab-en-un-chip, que permite que una muestra líquida pase, en flujo continuo, a través de un chip de silicio que contiene una matriz pilar asimétrica. Esta matriz permite que el sistema clasifique una cascada microscópica de las nanopartículas, separando las partículas por tamaño hacia abajo, hasta una resolución de décimos de nanómetros. IBM ya ha reducido el tamaño del chip a 2 cm por 2 cm, y continua el desarrollo para aumentar la densidad de la tecnología para mejorar la funcionalidad y el rendimiento. Aprovechando la vasta experiencia que IBM tiene en semiconductores con sus capacidades de crecimiento en biología experimental, los científicos utilizaron procesos de silicio que se pueden fabricar con el fin  de producir las matrices de nano-DLD para su tecnología lab en chip.

 

Casi en la misma forma como un camino a través de un pequeño túnel sólo permite que los coches más pequeños pasen mientras que obliga a los camiones más grandes a desviarse, el nano-DLD utiliza un conjunto de pilares para desviar las partículas más grandes, y al mismo tiempo permitir que las partículas más pequeñas fluyan a través de los huecos de la matriz de pilares sin cesar, separando eficazmente este tráfico de partículas por tamaño, sin interrumpir el flujo. Los científicos notaron que las matrices de nano-DLD también pueden dividir una mezcla de muchos tamaños diferentes de partículas en una extensión de corrientes, algo así como un prisma separa la luz blanca en diferentes colores. La naturaleza de flujo continuo de esta tecnología evita el procesamiento por lotes de “deténgase-y-siga” que es típico de las técnicas de separación convencionales.

 

El estudio fue publicado en línea 1 de agosto de 2016, en la revista Nature Nanotechnology.

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