COMPAMED Innovationsforum 2021: Úspěchy v boji proti pandemii pomocí mikrofluidiky

IVAM Produktmarkt (Foto: Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Mikrofluidický analyzní čip (Zdroj: microfluidic ChipShop)

Pandemie nemoci COVID-19 má velký dopad na všechny oblasti života. Téměř všichni lidé jsou nějakým způsobem zasaženi – ve svém zdraví, v profesní činnosti, v celém svém životě. Ale existují i významné světélka na konci tunelu. K nim patří především rychlý vývoj vakcín, testovacích sad a v budoucnu i léků, které významně přispívají k zvládnutí krize. „Pandemie nám ukázala, jak důležité jsou moderní vysoce technologické postupy, aby bylo možné provádět rychlý a efektivní výzkum a vývoj, například pro léky, vakcíny nebo diagnostické přístroje,“ potvrzuje Dr. Thomas R. Dietrich, generální ředitel odborného svazu pro mikrotechnologii IVAM. Zejména mikrofluidní součástky jsou vhodné k výraznému urychlení vývojového procesu. To efektivně demonstrovalo dne 16. června digitální Inovační fórum COMPAMED s hlavním tématem „Mikrofluidika pro mobilní diagnostiku a vývoj a výrobu léků a vakcín“ s příspěvky svých expertů.

Forum je již po mnoho let pořádáno ve spolupráci veletrhu Düseldorf s IVAM a vždy přináší předpověď aktuálních témat mezinárodně vedoucí odborné výstavy pro dodavatele zdravotnického průmyslu, kterou je COMPAMED v Düsseldorfu (další termín: 15. – 18. listopadu 2021, paralelně s MEDICOU 2021).

Velké množství testů v krátkém čase

Mikrofluidní komponenty umožňují rychlé provádění velkého množství experimentů v takzvaném vysokokapacitním screening (HTS). To umožňuje realizovat velké množství testů v krátkém čase, například k testování účinnosti léků nebo vakcín na živých buňkách. Rychlost a přesnost testů je mimo jiné dosažena díky mikrostrukturám, které umožňují mnohem lepší kontrolu fyzikálních a chemických parametrů (například teplota, tlak, doba reakce). Další výhodou těchto malých struktur je nízká potřebná vzorek a úspora reagentů. V posledních měsících byly během velmi krátké doby vyvinuty nové produkty a léky. Bez mikrofluidních součástek by to nebylo možné. Přístroje a komponenty jako Lab-on-a-Chip, mobilní diagnostické přístroje nebo chemické mikroreaktory již pomáhají při boji s pandemií.

Potenciál optimalizace na jedné straně – klíčová role na straně druhé

Mikrofluidní platformy jsou obecně vhodné pro rychlý vývoj a komercializaci Point-of-Care testů (PoCT). Nicméně „ideální“ PoC test představuje velkou výzvu: měl by být nejen cenově dostupný, citlivý, specifický a uživatelsky přívětivý, ale také rychlý, robustní, bez přístrojů a dodávaný koncovým uživatelům. Testy používané během pandemie ukazují, že různé metody mají odlišné limity a je třeba je dále zlepšovat. Například PCR testy jsou časově náročnější, vyžadují vyhodnocovací laboratoř, což činí metodu drahou a omezuje její kapacitu. Naopak antigenové testy mají nižší citlivost a někdy poskytují falešně negativní výsledky. Testy na protilátky pro potvrzení již prodělané infekce mají také omezenou citlivost. „Tyto omezení ukazují, že neexistuje jedna „kouzelná stříbrná kulka“ při testování,“ konstatuje Dr. Holger Becker, hlavní vědecký pracovník microfluidicChipShop. Přesto je přesvědčen, že PoCT získá trvalý impuls a mikrofluidika bude hrát klíčovou roli především u molekulárních testů.

„Point-of-Care testy“: důležitý nástroj v pandemii

V budoucnu lze očekávat vznik dalších technologií v oblasti PoCT, které by se nyní v souvislosti s pandemií mohly snáze prosadit. Jedná se například o přímé zobrazovací metody, které by mohly být kombinovány s umělou inteligencí (AI), nebo Si-bázované senzory (například silikonová fotonika). Poměrně novým nástrojem je „CRISPR diagnostika“ (CRISPR znamená Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) pro identifikaci specifických RNA sekvencí. Při detekci RNA virů je obvykle k dispozici pouze relativně krátký úsek genetického materiálu, v němž je třeba detekovat viru specifickou genetickou sekvenci. U CRISPR diagnostiky se používá enzym Cas a fluorescenčně označený reportérní RNA molekula. Pokud je cílová RNA v vzorku, Cas enzym začne rozřezávat jak cílovou RNA, tak reportérní molekulu, čímž se uvolní fluorescenční značka, kterou lze detekovat. Jedná se tedy o nepřímý důkaz, který má výhodu vysoké specifičnosti. „Obecně platí: PoCT bude zažívat rostoucí poptávku a stát se důležitým nástrojem při zvládání pandemií,“ shrnuje Holger Becker.

Takovým firmám, jako je například microLIQUID (z Španělska), která se specializuje na zakázkové mikrofluidní aplikace a má know-how od konceptu produktu přes vývoj až po zavedení a výrobu, by se mohlo dařit. „Často je právě přechod prototypu do masové výroby klíčovou překážkou,“ vysvětluje Dr. Luis Fernández, CTO microLIQUID, jedna z hlavních výzev, na které se hledají řešení.

Inovace v oblasti life sciences, biotechnologie a analytiky jsou poháněny rostoucím tlakem na snižování nákladů. Příprava vzorků, generování a zpracování stále většího množství dat a stále kratší doby zpracování – to vše vede k neustálé miniaturizaci důležitých komponent v sklu a plastu. Flow buňky, biočipy, komponenty Lab-on-a-Chip, mřížky, integrované elektrody a mikrokanály, kádinky: mnoho komponentů z oblasti biophotoniky a mikrofluidiky má funkční vrstvy v mikro- a nanorozměrech.

Kde se mikrofluidika, biotechnologie a optika překrývají a vyžadují multidisciplinární přístup a široké portfolio procesů, považuje švýcarský IMT Microtechnologies za ideálního partnera. „Převod assay do mikrofluidního řešení vyžaduje hluboké porozumění analytu a metodám, jak jej izolovat nebo připojit na povrch v rámci kanálové sítě, identifikaci vhodného transdukčního mechanismu a potřebných procesů a materiálů,“ popisuje Dr. Alexios Paul Tzannis, Business Development Manager IMT, část složité úlohy. Kombinace složité strukturalizace na a v skleněných waferech s novými metodami v povrchové chemii umožňuje vytvářet inovativní spotřební materiály pro life science a diagnostiku.

Kapalinová regulace na nano-rozměrech

Firma Fluigent z Francie nabízí širokou škálu řešení pro mikro- a nanofluidické aplikace, jejichž cílem je větší kontrola, automatizace, přesnost a uživatelská přívětivost. „Mikrofluidika otevírá cestu k Point-of-Care diagnostice. Jde o přenosná, rychlá a přesná zařízení, která přenášejí schopnosti lékařského laboratoře do rukou uživatele na místě, například v operačním sále,“ komentuje Jaques Pechdimaljian, OEM Product Manager ve společnosti Fluigent. Jejich cílem je, jinými slovy: řízení tekutin až na nano-rozměry. S rostoucí oblibou mikropřístrojů pro tvorbu a řízení tlaků se firma zaměřuje na přizpůsobení dílčích komponentů pro PoC zařízení. Tato zařízení jsou přenosná (napájená bateriemi, kompaktní a lehká), stejně jako přesná (stabilita toku, přesnost) a spolehlivá (zabránění ucpání, znečištění, vzduchovým bublinám apod.). Možnosti použití takových zařízení sahají daleko za oblast medicínského průmyslu – například v ambulantním testování krevních trombóz v operačním sále nebo při detekci kontaminace potravin a nápojů nebo těžkých kovů ve veřejné vodě.

Kvantitativní měření protilátek proti koronaviru s PoC zařízeními

Dalším poučením z pandemie je, že mRNA vakcíny byly velmi rychle vyvinuty a upraveny, ale jejich výroba a logistika jsou složité. Zvýšení výroby na velké množství potřebné doby. Navíc zatím neexistuje jistá odpověď na otázku, jak dlouho imunita po vakcínách vydrží. Proto by bylo velmi užitečné, kdyby PoC zařízení mohla kvantitativně měřit protilátky. Požadavky by byly vysoké: stačil by pouze jeden kapka krve z prstu, a výsledky měření by měly být k dispozici po krátké době (do 20 minut). Měření by mělo být vysoce citlivé a specifické, s digitálním zaznamenáváním a zpracováním dat. Ale jak by bylo možné taková řešení realizovat například pomocí přenosných zařízení s přijatelnými investičními náklady a s rozumnou spotřebou energie a reagentů?

„Abychom lépe využili výhod mikrofluidiky v PoC, musíme využívat aktivní fluidní komponenty s nižší hmotností a menšími rozměry, stejně jako napájení z baterií a malá množství tekutin, což umožňuje systémům šetřit reagencie,“ vysvětluje Florian Siemenroth z Bartels Mikrotechnik. Podle informací firmy a zúčastněných partnerů mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell a Sensirion jsou „všechny části puzzle“ na stole, aby bylo možné realizovat aktivní mikrofluidní systémy. K dispozici je řada standardních komponent, které lze integrovat do ultra-kompaktního a inteligentního systému. Patří mezi ně například miniaturizované ventily, inteligentní čerpadla a jejich řízení, senzory průtoku, nádoby na reagent a systém trubiček. Tyto již dostupné komponenty a systémy, které z nich lze sestavit, mají požadované výhody: umožňují automatizaci fluidních procesů s běžnými komponentami, mají nízkou spotřebu energie a malé vnitřní objemy, celý systém je ultra-kompaktní a vejde se do formátu 96 jamkových destiček (přibližně 128 x 85 mm). Navíc lze takové aktivní systémy vyrobit za náklady od několika stovek eur.

„Smart Fabs“ pro budoucí vývoj vakcín a léků

Z pandemie vzešel nejen rostoucí zájem o životně důležité lékařské produkty a moderní metody výroby pokročilých terapeutik a vakcín. Vyvinula se také silná poptávka po decentralizovaných pracovních modelech, což se netýká jen odvětví zdravotnické techniky. Aby bylo možné splnit obrovský časový tlak, musely být „Smart Fabs“ (chytré výroby) vybudovány za méně než 12 měsíců. „To je možné pouze díky klíčovým faktorům, jako je vysoká kapacita a spolehlivost, úplná automatizace a úspory objemu a nákladů,“ shrnuje Dr. Gina Greco, manažerka trhu Life Science, Diagnostics, Analytical u švýcarského specialisty na senzory Sensirion.

Zkušenosti z pandemie ukazují, že je třeba dále optimalizovat přístroje v oblasti life sciences, diagnostiky a analytiky. „Mikrofluidické systémy spolu se senzory jsou klíčovým řešením,“ zdůrazňuje Greco. Společnost Sensirion se považuje za experta na tyto komponenty, jejichž široké portfolio je ideální pro zvládnutí dnešních průmyslových výzev. Nacházejí uplatnění ve farmaceutickém průmyslu ve všech oblastech – ať už ve výzkumu a vývoji, výrobě nebo v oblasti kontroly kvality a inteligentní logistiky.

COVID-19 a velmi rychlý vývoj účinných vakcín zvýraznily důležitost mikrofluidiky a přilehlých oblastí. Mikrosystémy, které dokážou bezpečně manipulovat s nejmenšími množstvími tekutin a plynů, jsou již nedílnou součástí medicínského průmyslu. Inovační fórum COMPAMED 2021 a zúčastnění experti ze společností představili vzrušující příklady a zároveň podpořili zájem o směs témat a nových produktů na veletrhu COMPAMED 2021 v listopadu: od mikrotechnologií přes nové materiály až po obalová řešení pro zdravotnický průmysl a odpovědi na všechny otázky, které se týkají vývoje a výroby zdravotnických produktů v rámci celého procesu.“