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Die Magnetschwebebahn ist eine Technik, die entwickelt wurde, um die Zelltypen1,2,3,Proteine4,5 und Opioide6 ausschließlich auf der Grundlage ihrer spezifischen Dichte und paramagnetischen Eigenschaften zu trennen, zu analysieren und zu identifizieren. Die Zelldichte ist eine einzigartige, intrinsische Eigenschaft jedes Zelltyps, die in direktem Zusammenhang mit seiner Stoffwechselrate und seinem Differenzierungsstatus steht7,8,9,10,11,12,13,14. Die Quantifizierung subtiler und vorübergehender Veränderungen der Zelldichte unter stationären Bedingungen und während einer Vielzahl von Zellprozessen könnte einen unübertroffenen Einblick in die Zellphysiologie und Pathophysiologie ermöglichen. Veränderungen der Zelldichte sind mit der Zelldifferenzierung15,16, der Zellzyklusprogression9,17,18,19, apoptose20,21,22,23und der malignen Transformation24,25,26 verbunden . Daher kann die Quantifizierung spezifischer Änderungen der Zelldichte verwendet werden, um zwischen Zellen verschiedener Typen zu unterscheiden und zwischen demselben Zelltyp zu unterscheiden, der verschiedenen Aktivierungsprozessen unterzogen wird. Dies ermöglicht Experimente, die auf eine bestimmte Zellteilpopulation abzielen, wobei dynamische Dichteänderungen als Indikator für einen veränderten Zellstoffwechsel dienen27. Da festgestellt wurde, dass eine Zelle ihre Dichte als Reaktion auf eine sich ändernde Umgebung ändern kann7, ist es unerlässlich, die Kinetik der Zelle in Bezug auf ihre Dichte zu messen, um sie vollständig zu verstehen, was aktuelle Methoden möglicherweise nicht liefern12. Die Magnetschwebebahn hingegen ermöglicht eine dynamische Bewertung von Zellen und ihren Eigenschaften28.
Zellen sind diamagnetisch, was bedeutet, dass sie kein permanentes magnetisches Dipolmoment haben. Wenn es jedoch einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, wird in den Zellen ein schwaches magnetisches Dipolmoment in der entgegengesetzten Richtung des angelegten Feldes erzeugt. Wenn Zellen also in einer paramagnetischen Lösung suspendiert und einem starken vertikalen Magnetfeld ausgesetzt werden, schweben sie von der Magnetquelle weg und stoppen bis zu einer Höhe, die in erster Linie von ihrer individuellen Dichte abhängt. Die diamagnetische Levitation eines Objekts, das auf das Minimum eines inhomogenen Magnetfeldes beschränkt ist, ist möglich, wenn die beiden folgenden Kriterien erfüllt sind: 1) Die magnetische Anfälligkeit des Partikels muss kleiner sein als die des umgebenden Mediums und 2) die Magnetkraft muss stark genug sein, um die Auftriebskraft des Partikels auszugleichen. Beide Kriterien können erfüllt werden, indem Erythrozyten in einem magnetischen Puffer aufgehängt und starke Magnetfeldgradienten mit kleinen, kostengünstigen, handelsüblichen Permanentmagneten erzeugt werden1. Die Gleichgewichtsposition eines magnetisch gefangenen Teilchens auf einer Achse entlang der Gravitationsrichtung wird durch seine Dichte (relativ zur Dichte des Puffers), seine magnetische Anfälligkeit (relativ zur magnetischen Empfindlichkeit des Puffers) und die Signatur des angelegten Magnetfeldes bestimmt. Da die Dichte und die magnetischen Eigenschaften der Lösung im gesamten System konstant sind, sind die intrinsischen Dichteeigenschaften der Zellen der Hauptfaktor, der die Levitationshöhe der Zellen bestimmt, wobei dichtere Zellen im Vergleich zu weniger dichten Zellen niedriger schweben. Dieser Ansatz verwendet einen Satz von zwei Dichtereferenzperlen (1,05 und 1,2 g/ ml), die es uns ermöglichen, eine präzise, ratiometrische Analyse für Dichtemessungen zu verwenden. Die Änderung der Konzentration der magnetischen Lösung ermöglicht es, verschiedene Zelluläre Populationen wie Erythrozyten von WBCs zu isolieren, da die Dichte der zirkulierenden Zellen zellspezifisch ist, wodurch isolationsprotokolle oder andere Zellmanipulationen entfallen.
Die Mehrzahl der in der biologischen Forschung verwendeten Nachweismethoden beruht auf der Extrapolation spezifischer Bindungsereignisse in leicht zu quantifizierende lineare Signale. Diese Auslesemethoden sind oft komplex und erfordern spezielle Geräte und engagiertes wissenschaftliches Personal. Ein Ansatz, der auf den Nachweis von Antigenen abzielt, die entweder auf der Plasmamembran von Zellen oder extrazellulären Vesikeln gefunden werden oder die im Plasma löslich sind, wobei entweder eine oder zwei Antikörperbeschichtete Kügelchen verwendet werden, wird hierin beschrieben. Die Perlen müssen von unterschiedlicher Dichte sein als die voneinander und von denen der befragten Ziele. Das Vorhandensein des Zielantigens in einem bestimmten Biofluid wird in eine spezifische, messbare Änderung der Levitationshöhe einer Antigen-positiven Zelle übersetzt, die an eine Nachweisperle gebunden ist. Im Falle von löslichen Antigenen oder extrazellulären Vesikeln sind sie sowohl an Einfang- als auch an Nachweisperlen gebunden und bilden eher einen Perlen-Perlen-Komplex als einen Perlen-Zell-Komplex. Die Änderung der Levitationshöhe hängt von der neuen Dichte der Perlenzell- oder Perlen-Perlen-Komplexe ab. Neben der Änderung der Levitationshöhe der Komplexe, die auf das Vorhandensein von Antigen im Biofluid hinweist, hängt die Anzahl der Komplexe auch von der Menge des Ziels ab, was die Magnetschwebebahn auch zu einem quantitativen Ansatz für den Antigennachweis macht24.