Diagnóza na místě pro více nemocí současně pomocí fotoniky

Fotonicový čip s čtyřmi mikrorezonátory lahví © Fraunhofer IZM / Fotonicový čip se čtyřmi mikrorezonátory lahví © Fraunhofer IZM

Optofluidická kazeta pro detekci cytokinů © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Optofluidická kazeta pro detekci cytokinin © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Patříme k našemu každodennímu životu a jsou od začátku pandemie COVID-19 známé i široké veřejnosti: PCR nebo jiné antigenní testy. Na závěr mezinárodního výzkumného projektu oznámilo konsorcium vedené Fraunhofer IZM, že zavádí novou generaci diagnostických systémů s přesnou fotonickou platformou Point-of-Care. Jádrem platformy je automatické čtecí zařízení založené na mikrostrukturách z optických vláken, které zajišťují nejpřesnější měření a zároveň dokážou analyzovat až šest fotonických senzorů. Nemoci jako tuberkulóza a Q-výměn mohou být takto v budoucnu rozpoznány včas a léčené.

Pandemie COVID-19 opět ukázala, jak je důležitá rychlá, dostupná a škálovatelná diagnostika infekčních onemocnění. Ať už jde o nové nemoci nebo o ty, které jsou analyzovány a léčeny již desítky let, nedostatek účinných a včasných diagnostických nástrojů každý rok způsobuje miliony zbytečných úmrtí. Na rozdíl od jiných diagnostických technologií, které jsou omezené svou spolehlivostí, velikostí nebo dostupností, revoluční fotonické senzorové platformy mění metody Point-of-Care diagnostiky tím, že umožňují vysokou citlivost, kompaktnost a multiplexní schopnosti pro rychlé a spolehlivé detekce infekčních onemocnění.

V projektu PoC-BoSens, který koordinuje Fraunhofer IZM, se sešlo mezinárodní konsorcium z výzkumných oblastí fotoniky, mikrofluidiky, biochemie, elektroniky a biomedicíny, aby vyvinulo optofluidický diagnostický systém blízko pacienta pro buněčné vzorky, který umožňuje kvantitativní stanovení různých biomarkerů pro několik infekčních onemocnění za méně než 15 minut. Koordinátorka projektu Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez z Fraunhofer-Institutu pro spolehlivost a mikrointegraci IZM může úspěšně potvrdit: „Dosáhli jsme našich cílů projektu a v již schváleném následném projektu můžeme realizovat konečnou integraci prototypových komponent a jejich ověření s partnery projektu. Další kroky na cestě k komercializaci platformy zahrnují zvětšení měřicího pole optofluidické kazety a čtecí jednotky, klinické ověření a validaci pro označení CE.“

Technologie za novou platformou PoC-BoSens spočívá v prvním spojení nových fotonických mikrorezonátorů z optických vláken a mikrofluidického systému pro přepravu testovacích vzorků. Mikrorezonátory z lahviček patří do třídy fotonických struktur, které se vyznačují vynikající citlivostí a velmi vysokou kompaktností, a proto jsou vhodné pro multiplexní, rychlou detekci cílových molekul například v aplikacích Point-of-Care. Dosud však nebyla dostupná integrační řešení jak pro tyto lahvičkové rezonátory, tak pro jiné trojrozměrné optické mikrorezonátory, což jejich použití doposud znemožnilo.

Právě zde přichází na řadu tým kolem Zamory Gómez z Fraunhofer IZM: první prototyp biosenzoru úspěšně demonstruje integraci praktické čipové kazety založené na čtyřech mikrorezonátorech z lahviček. Pomocí poloautomatických nástrojů v laboratořích Fraunhofer IZM byly tyto mikrostruktury s vysokou přesností pod jedním mikrometrem vloženy na fotonický čip. Ve druhém kroku byl hybridní fotonický čip spojen s mikrofluidickým čipem. Taková optofluidická konfigurace je ideální pro vícestopové detekce cílových molekul. Kompletní integrační proces pole mikrorezonátorů na čipu ještě nikdy nebyl proveden kvůli jeho složitosti. Tým projektu v Fraunhofer IZM se této výzvy chopil: sestavený čip lze nyní kombinovat s čtecím systémem k analýze cytokinu jako cílové molekuly v platformě PoC-BoSens. Cytokiny tvoří rozmanitou skupinu proteinů, které hrají důležitou roli jak u patogenů tuberkulózy a Q-výměny, tak v imunitním systému. Řídí a koordinují obranu proti patogenům a jsou proto spoluzodpovědné za úspěšné průběh imunitní reakce. Dalšími možnými aplikacemi jsou detekce protilátek, které jsou důležité například u celiakie a dalších onemocnění, u nichž jsou rychlé diagnostické a monitorovací testy nezbytné.

Vysoce kvalifikovaný multidisciplinární konsorcium nadále pracuje na výsledcích projektu, aby přineslo další pokroky v diagnostice. Zúčastněné partnery z čtyř různých zemí tvoří akademické instituce i průmysl: Fraunhofer IZM (Německo), Austrian Institute of Technology (Rakousko), Scuola Superiore Sant'Anna (Itálie), MDX Devices GmbH (Německo), ifU Diagnostic Systems GmbH (Německo), Diarect AG (Německo), SCIENION GmbH (Německo), Syel S.R.L. (Itálie) a Unitive Design & Analysis Ltd (Velká Británie). Spolupráci na projektu PoC-BoSens podpořilo Německé spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum v rámci přeshraničního fondu „Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)“. Doba trvání projektu byla od 1. dubna 2018 do 31. prosince 2021, rozpočet projektu činil přibližně 2,4 milionu eur.