11. COMPAMED Jarní fórum posunulo mikrofluidiku do centra pozornosti – téma s velkým významem pro moderní laboratorní medicínu

Springforum COMPAMED etablovalo jako setkání expertů pro vývojáře, výrobce a servisní partnery zdravotnického průmyslu. Každoroční akce již na jaře nabízí výhled na COMPAMED, mezinárodně vedoucí tržní platformu pro dodavatele ve zdravotnické výrobě, která se každoročně koná od 13. do 16. listopadu 2017 v Düsseldorfu. 11. jarní fórum se dne 3. května 2017 (v Frankfurtu n. M.) věnovalo mikrofluidice v medicíně – a to ve třech sekcích na témata „Obecné aspekty a koncepty“, „Výroba mikrofluidických zařízení“ a „BioMEMS a manipulace s buňkami“. Pozadí: Zdravotnický průmysl se stále více ubírá směrem decentralizované péče o pacienty. Proto musí všechny diagnostické a terapeutické metody a zařízení fungovat na „Point of Care (PoC)“. To přináší velké výhody oproti dosavadní praxi, kdy pacienti navštěvují lékaře a testy se provádějí v laboratoři. Tím lze zabránit hospitalizaci, dosáhnout rychlejších výsledků pro specifickou diagnózu a personalizovanou léčbu a snížit náklady ve zdravotnictví.

Aby bylo možné tyto výhody využít, musí zařízení pro diagnostiku a terapii pracovat automatizovaně a spolehlivě. Vzorky by měly být přesně definovaným způsobem vedeny k analýze, zpracovány a testovány. Léky musí být přizpůsobeny a dávkovány podle individuálního onemocnění pacienta. Ve všech těchto oblastech hrají mikrofluidické systémy významnou roli. 11. jarní fórum COMPAMED proto ukázalo, jak se tyto komponenty a systémy vyrábějí, jaké materiály se používají, a také jak jsou produkty BioMEMS využívány v diagnostice nebo při dávkování léků. Fórum organizuje IVAM – odborná asociace pro mikrotechnologii ve spolupráci s veletrhem Düsseldorf.

Význam mikrofluidiky již dokázal Henne van Heeren ze společnosti enablingMNT. EnablingMNT (Dordrecht, Nizozemsko) se zaměřuje na marketingovou a strategickou podporu v oblasti mikro- a nanotechnologií (MNT) s kancelářemi ve Velké Británii, Nizozemsku a Německu. „Stále vidíme velký růst, aktuálně je již 750 firem po celém světě aktivních v oblasti mikrofluidiky,“ zdůrazňuje van Heeren. Přibývá přibližně 45 nových startupů ročně – naopak asi 20 firem tento obor opouští, jsou koupeny nebo zavírány. Špičkovými institucemi v komercializaci mikrofluidiky jsou Kalifornská univerzita v Berkeley, Harvard a MIT. V Evropě patří k předním univerzitám Twente, ETH Zürich a Cambridge. Od roku 1998 počet patentů s označením „Microfluidic“ v názvu nebo abstraktu rychle vzrostl z nuly na přes 1300 ročně. Co se týče materiálů, v univerzitním výzkumu je velmi oblíbený Polydimethylsiloxan, polymer na bázi křemíku, zatímco průmysl preferuje Cyclo-Olefinové polymery (COP) a Cyclo-Olefinové kopolymery (COC), sklo, kombinaci skla a křemíku nebo polymethylmethakrylát (PMMA). COC a COP se především používají pro jednorázové produkty v oblasti „Point of Care“, sklo je voleno pro náročnější aplikace, tedy zařízení, která se často a delší dobu používají opakovaně, nebo tam, kde jsou vyžadovány vyšší tlaky a teploty.

Sliny, moč nebo pot by mohly nahradit invazivní odběr krve

Většina zdravotních vyšetření dnes vychází z analýzy krve, která je získávána invazivními metodami. V posledním desetiletí však došlo k posunu směrem k používání „volně dostupných“ tělesných tekutin, jako jsou sliny, moč a pot. Technologie používané k jejich sběru, přípravě a analýze však nejsou přesné, robustní nebo jednoduché na obsluhu. Navíc jsou výsledky získané z těchto tekutin méně spolehlivé. V Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) v Landquardu (Švýcarsko) se právě na vývoji různých senzorů pro neinvazivní sledování pacientů, které lze využít i v Point of Care diagnostice a při terapii, pracuje. „Velká část naší práce se zaměřuje na různé schopnosti nového zařízení: má být použitelné i neškoleným personálem, mělo by být vhodné pro klinicky náročné situace, například u pacientů, od nichž je obtížné odebrat krev, a mělo by být také použitelné v odlehlých oblastech,“ vysvětluje Samantha Paoletti z CSEM.

CSEM vyvíjí různé technologie založené na modulárním přístupu k diagnostice. Zahrnuje přípravu vzorků, tedy sběr a zpracování tělesných tekutin s různými mikrofluidickými návrhy, a detekci speciálních cílových molekul, jako jsou elektrolyty, proteiny, peptidy, imunoglobuliny nebo malé organické složky (cukry, aminokyseliny apod.). K tomu lze využít optické, fluorescenční nebo elektrochemické senzory, které CSEM vyvíjí, vyrábí, funkční a integruje do různých cenově dostupných řešení. Dále pracuje na detekčních jednotkách, příslušné elektronice, napájení a přenosu dat. „Naše aktuální portfolio obsahuje několik senzorů, které například detekují draslík a sodík, glukózu, laktát, pH a impedanční hodnotu,“ říká Paoletti. CSEM prokázal, že senzory lze integrovat do oblečení (wearables s analýzou potu) nebo použít pro analýzu slin a moči.

Kombinace mikrofluidiky a 3D tisku pro použití u diabetu

Diabetes je nejen v Německu rozšířenou chorobou – v Německu je touto nemocí postiženo přes 6,5 milionu lidí ve věku od 20 do 79 let. Kontinuální měření koncentrace glukózy je možné jak v krvi, tak v mezibuněčné tekutině (intersticiální tekutině) v podkožním tuku, protože její obsah glukózy je pouze s malým časovým zpožděním úměrný obsahu v krvi. Výzkumný institut CIS pro mikrosenzory v Erfurtu vyvinul díky kombinaci mikrofluidiky a 3D tisku nové řešení pro stanovení hladiny cukru v krvi. „Koncept senzoru není určen pro každodenní použití u pacientů s diabetem, ale má sloužit k monitorování v intenzivní medicíně, kdy má poskytovat hodnotu cukru v krvi po dobu sedmi dnů,“ říká Dr. Jan Freitag, výzkumník z CIS. Celý senzor je umístěn v kalibrační komoře složené ze dvou částí. Jedna je naplněná kapalinou s nulovým obsahem cukru, zatímco druhá obsahuje kapalinu s definovanou koncentrací. To umožňuje nejprve uložit měřící bod s nulovým obsahem cukru a po otevření stěny mezi komorami zaznamenat druhý měřicí bod a provést tak dvoubodovou kalibraci. Celý systém tvoří miniaturizovaná trubkovitá měřicí komora s mřížkovými stranami (rozměry: 25 mm délka a 1,2 mm průměr), která obsahuje světelný zdroj na špičce a rozhraní optických komponent na konci jehly. Materiálem je slitina kobalto-krómové oceli. Složitá výroba této měřicí komory s její skeletovou strukturou je realizována 3D tiskem. Tímto způsobem bylo pomocí selektivního laserového tavení možné vytvořit skeletové struktury z kovové slitiny s fyzikálními rozměry vhodnými pro použití v lidském těle. „Můžeme současně vyrábět 250 kanul z jednoho formovacího zařízení, což šetří náklady i čas,“ říká Freitag.

Manipulace s kapalinami až do nanoliterového rozsahu

Budoucí laboratorní a diagnostické aplikace budou vyžadovat dávkování kapalin v rozmezí mikro- a dokonce nanolitrů. Dosavadní systémy pro manipulaci s nejmenšími objemy jsou často nedostatečně přesné, aby tyto požadavky splnily. Proto vyvinulo Fraunhoferův institut pro výrobu a automatizaci (IPA) pod názvem I-DOT (Immediate Drop on Demand technologie) novou technologii manipulace s kapalinami, která umožňuje vytvářet kapky o objemu 2 až 12 nanolitrů pomocí tlakové pulzace. Větší objemy jsou dosažitelné použitím až 400 impulsů za sekundu. Potřebné mikroformy pro rozdělování jsou vyráběny mikrospritzováním, protože tato technologie umožňuje přesně reprodukovat „mikro-jesličky“ ve vysoké kvalitě. Specialistou na mikro-injekční vstřikování je MDX Devices GmbH, která se zaměřuje na ekonomickou výrobu vysoce přesných dílů v mikro- nebo přesném vstřikování v malých sériích s ověřenou kvalitou. „Vyrábíme prototypy, mikro-díly a zařízení z vysoce výkonných plastů pomocí mikro- a přesného vstřikování a provádíme také doplňkové procesy, například potisk nebo následnou montáž, především v malých sériích pro zdravotnictví, diagnostiku, farmaceutický průmysl nebo biotechnologie, a také pro mikro-systémovou techniku,“ potvrzuje Harald Grün, jednatel společnosti MDX. Firma vyrábí pro technologii I-DOT různé mikrotitrační destičky. Technologie mikro-injekčního vstřikování nabízí při výrobě vysoce přesných dílů řadu výhod oproti tradičnímu vstřikování, například nízký objem vstřikovacího kanálu, extrémně krátké cykly, dobré plnění, vysokou procesní spolehlivost, reprodukovatelnost a ekonomičnost, protože je velmi energeticky úsporná.

Plně automatizovaná izolace nádorových buněk z krevního vzorku

V projektu CTCelect, který je financován Spolkovým ministerstvem vzdělávání a výzkumu (BMBF), se jedná o manipulaci s velmi specifickými buňkami. Circulující nádorové buňky (anglicky Circulating Tumor Cells, CTCs) jsou v onkologii považovány za důležitý zdroj informací o průběhu nemoci a možných terapeutických přístupech. Nicméně mají extrémně nízkou koncentraci v krvi. V rámci clusteru pro individualizovanou imunoterapii (Ci3) vyvinuli Fraunhofer ICT-IMM a partneři mikrofluidický průtokový cytometr s integrovaným jednotlivobuněčným dispencerem, který dokáže plně automaticky izolovat nádorové buňky z krevního vzorku. To umožňuje zpětnou vazbu o tom, jak různé typy nádorů reagují na léčbu. Dále je možné vyvíjet cílené léky. V projektu, který byl zahájen v lednu 2017, je nyní cílem validovat a charakterizovat dříve vyvinutý proces koncentrace a izolace volně cirkulujících nádorových buněk na reálných klinických vzorcích. „Postavíme demonstrační zařízení CTCelect s příslušnými testy a zjistíme požadavky uživatelů z klinické praxe,“ vysvětluje koordinátor projektu Dr. Michael Baßler z ICT-IMM. Ze laboratorního demonstrátoru se má stát hodnotící demonstrační zařízení. Klinickým uživatelem je Institut pro translaciální výzkum kožních nádorů na univerzitní klinice v Essenu, který bude testovat odolnost systému, odolnost vůči chybám a uživatelskou přívětivost. „Ukázali jsme základní proveditelnost, teď je třeba přiblížit naše laboratorní zařízení trhu tím, že shromáždíme relevantní data pro potenciální zájemce,“ vysvětluje Baßler. Na vrcholu seznamu přání je také najít kupce, který by systém uvedl na trh – pro tento účel by měla být COMPAMED ideální platformou.

Na veletrhu COMPAMED 2017 se v halách 8a a 8b Düsseldorfské výstaviště očekává téměř 800 vystavovatelů ze více než 40 zemí. COMPAMED se koná paralelně s největším světovým veletrhem medicíny MEDICA 2017 (přibližně 5000 vystavovatelů).