On-chip Raman-spectroscopy of extracellular vesicles

Introduksjon og samandrag: Ekstracellulære vesiklar (EV) er knøttsmå partiklar frå biologiske celler (diameter ca. 100 nm). Vesiklane kan sirkulera i kroppen, mens celler for det meste sit fast i vev. Det har vist seg at celler kan kommunisera med slike vesiklar og utveksla protein, lipid og genetisk materiale. Høge nivå av ekstracelluære vesiklar har blitt knytta til fleire sjukdomstilstandar, som åreforkalkning, diabetes, kreft, blodpropp (venøs tromboembolisme), hjarte- og karsjukdommar. Vesiklane inneheld såleis informasjon om cellene i kroppen. Denne informasjonen kan ein få tilgang til ved å karaktterisera vesiklar frå ein bloddråpe. Nye metodar for å karakterisera og analysera ekstracellulære vesiklar er viktig for å forstå dei biologiske virkemåtane til desse vesiklane, og for å utvikla nye kliniske metodar basert på å bruka og/eller analysera vesiklane. Målet med prosjektet er å utvikla ein ny metode for kjemisk analyse av ekstracellulære vesiklar med høg kapasitet, samt å bruka den nye metoden til medisinsk forsking på vesiklane. Ein optisk brikke vil bli utvikla for å karakterisera vesiklane basert på Raman-spektroskopi. Ein eller nokre få vesiklar vil bli haldne fast med optiske krefter lenge nok til å analysera dei. Dette vil bli gjort fleire stader på brikken med lys frå ein enkelt laser. Brikken vil bli kopla til eit optisk spektrometer med fleire optiske fiber. Spektrometeret vil måla Raman-spekteret, som vil bli analysert for å gi informasjon om den kjemiske samansetninga til vesiklane. Systemet vil gjera det mogleg å analysera mange vesiklar samtidig slik at kapasiteten bli høg. Status per november 2023 Hovudhypotesten til prosjektet er at ei spalte i ein bølgjeleiar kan brukast til fanging og Raman-spektroskopi av EV. Det er no eksperimentelt demonstrert at dei valde bølgjeleiarane passar til dette, sidan Raman-bakgrunnen deira er låg. Det er også vist at analyse med maskinlæring fungerer svært bra på Raman-spektra frå samarbeidspartnarar. Det første resultatet er publisert og det andre innsendt. Men det har ikkje lukkast å få tilfredsstillande kvalitet på spalta over bølgjeleiaren og dermed har ein ikkje kunna bruka brikken til fanging og Raman-spektroskopi. Dette skuldast at materialet, silika, er vanskeleg å etsa, samt utskifting av personell, som nemnt i 2022. Arbeidet med etsing av spalta vil fortsetja med ein ny framgangsmåten. Målet er å få brikken til å fungera i første halvdel av 2024. Bølgjeleiarane, det eksperimentelle oppsettet og analysemetoden fungerer, men den viktige spalta manglar for å få brikken til å fungera og slik oppnå det resultatet ein ønskjer. Det vil bli arbeidd med å gjera målingar i parallell, for å nå målet om høg kapasitet. Rabiul Hasan disputerte 14.sept. 2023 og Mathias N. Jensen disputerer 7.des. 2023. Dermed har prosjektet lukkast med å uteksaminera to PhD-ar, som planlagt. Rabiul Hasan har dratt tilbake til Bangladesh, og har fått stilling som førsteamanuensis. Han vil samarbeida med prosjektet vidare, med sikte på å skriva to artiklar i 2024. Mathias N. Jensen fortset som postdok på prosjektet i eit år, og deretter finansiert i to år på interne midlar. Dette er ei svært god løysing for prosjektet, sidan det ikkje lukkast med å finna nokon til denne stillinga i 2022/2023. I tillegg har prosjektet finansiert Jehona Salaj i fire mnd. som forskar. Ho held på med ein PhD-grad på eit anna prosjekt og hjelper til på dette prosjektet med framstilling av brikken. Ho blir dermed svært sentral i å få spalta og brikken til å fungera i 2024. Talet på publiserte artiklar frå prosjektet har auka i 2023 og er no omtrent som forventa. Men det har blitt få konferansebidrag, dels grunna korona. I 2024 vil det vil bli lagt vekt på å få ut mest mogleg publiserbare resultat og deltaking på konferansar.

Extracellular vesicles (EVs) are bilayer membrane vesicles released from various cells into their surroundings. EVs include exosomes (30-100 nm in diameter) and microvesicles (100-1000 nm) and express surface antigens specific of parental cells. EVs are considered a mechanism for intercellular communications, allowing cells to exchange proteins, lipids and genetic material. Elevated plasma levels of EVs have been associated with several disease states such as atherosclerosis, diabetes, cancer, arterial cardiovascular diseases and venous thromboembolism. New methods to characterise and analyse EVs are essential to understand the physiological and pathological functions of these vesicles, and to develop new clinical methods involving their use and/or analysis. The aim of the project is to develop high throughput chemical analysis of EVs and facilitate medical research on EVs using the system developed. Dielectric optical waveguides will be tapered down to sub-micron tips. A tightly confined and standing wave between two tips will be used for optical trapping and Raman-spectroscopy of EVs. This will be done at several sites on the chip simultaneously. As a very small amount of the incident light is ‘consumed’ by each particle, the incident light can be re-used at several sites in series, without increasing the input power. This is, to the best of our knowledge, a completely new concept. By also doing this in parallel, a 2D array of trapping sites can be made, but this time by multiplying the input power. The Raman-scattered light will be collected by waveguides with high numerical aperture and directed to a 1D fibre array, which connects the chip with a multichannel spectrometer. Two research groups in medical biology participate in the project and will use the system developed for research on venous thromboembolism and novel antimicrobial molecules.