COMPAMED Innovationsforum 2021: Sikerek a járvány elleni küzdelemben mikrofluidika révén

IVAM termékpiac (Fotó: Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Mikrofluidikai elemzőchip (Forrás: microfluidic ChipShop)

A koronavírus-járvány nagy hatással van minden élet területére. Szinte mindenki bizonyos módon érintett – az egészségében, a szakmai tevékenységében, az élet egészében. De vannak jelentős fénylő pontok is. Ide tartozik elsősorban a vakcinák, tesztkészletek és a jövőben gyógyszerek gyors fejlődése, amelyek alapvető hozzájárulást nyújtanak a válság kezeléséhez. „A járvány megmutatta, milyen fontosak a modern csúcstechnológiák ahhoz, hogy gyors, hatékony kutatást és fejlesztést végezhessünk, például gyógyszerek, vakcinák vagy diagnosztikai eszközök terén” – erősítette meg Dr. Thomas R. Dietrich, az IVAM mikrotechnológiai szakmai szövetség vezérigazgatója. Különösen a mikrofluidikus alkatrészek alkalmasak arra, hogy jelentősen felgyorsítsák a fejlesztési sebességet. Ezt az eredményesen megrendezett, június 16-án digitálisan megtartott COMPAMED Innovációs Fórum mutatta be lenyűgöző szakértői hozzászólásokkal a „Mikrofluidika a mobil diagnosztikáért, valamint a gyógyszerek és vakcinák fejlesztéséért és gyártásáért” címmel.

Ez a fórum már évek óta szoros együttműködésben zajlik a Düsseldorfi Vásár és az IVAM között, és mindig néhány hónappal előre betekintést ad a nemzetközileg vezető szakkiállítás aktuális témáiba, amely a medtech beszállítóinak szól, a COMPAMED Düsseldorfban (a következő időpont: 2021. november 15–18., párhuzamosan a MEDICA 2021-gyel).

Számos teszt nagyon rövid idő alatt

A mikrofluidikus komponensek lehetővé teszik, hogy gyorsan végezzenek el számos kísérletet ún. High-Throughput Screening (HTS) módszerrel. Ez lehetővé teszi, hogy nagy számú tesztet hajtsanak végre nagyon rövid idő alatt, például élő sejtekben tesztelve a gyógyszerek vagy vakcinák hatékonyságát. A tesztek sebességét és pontosságát többek között a mikrostruktúrák biztosítják, amelyek sokkal jobb kontrollt tesznek lehetővé a fizikai és kémiai paraméterek (pl. hőmérséklet, nyomás, reakcióidő) felett. Egy másik előnye ezeknek a kis struktúráknak, hogy kevés mintára van szükség, és takarékosan használják fel a reagenseket. Az elmúlt hónapokban nagyon rövid idő alatt új termékeket és gyógyszereket fejlesztettek ki. Mikrofluidikus alkatrészek nélkül ez nem lett volna lehetséges. Olyan eszközök és komponensek, mint a Lab-on-a-Chip, mobil diagnosztikai eszközök vagy kémiai mikroreaktorok már most is segítenek a járvány elleni küzdelemben.

Fejlesztési potenciál – egyfelől döntő szerep másfelől kihívások

A mikrofluidikus platformok alapvetően alkalmasak a Point-of-Care tesztek (PoCT) gyors fejlesztésére és kereskedelmi forgalmazására. Azonban az „ideális” PoC-teszt nagy kihívást jelent: nemcsak megfizethető, érzékeny, specifikus és felhasználóbarát kell, hogy legyen, hanem gyors, robusztus, eszközmentes, és a végfelhasználók számára elérhető. A járvány során alkalmazott tesztek mutatják, hogy a különböző módszereknek vannak korlátai, és még van fejlődési lehetőség. Például a PCR-tesztek időigényesebbek, laboratóriumi értékelést igényelnek, ami drágává teszi a módszert, és korlátozza a kapacitást. Ezzel szemben az antigén-tesztek kevésbé érzékenyek, és néha hamis negatív eredményeket adnak. A már meglévő antitest-tesztek, amelyek a már lezajlott fertőzés kimutatására szolgálnak, csak korlátozott érzékenységgel rendelkeznek. „Ezek a korlátok mutatják, hogy a tesztelésben nem létezik egyetlen „varázsszer” – mondta Dr. Holger Becker, a microfluidicChipShop tudományos igazgatója. A szakértő azonban biztos abban, hogy a PoCT fenntartható lendületet fog kapni, és a mikrofluidika különösen a molekuláris tesztek terén döntő szerepet fog játszani.

`Point-of-Care-tesztelés´: egy fontos eszköz a járvány idején

Jövőre várható, hogy a PoCT területén további technológiák jelennek meg, amelyek a járványhelyzet miatt most könnyebben elfogadhatóvá válhatnak. Ide tartoznak közvetlen képalkotó eljárások, amelyek esetleg mesterséges intelligenciával (MI) kombinálhatók, vagy szilícium-alapú szenzorok (pl. szilícium-fotonika). Egy viszonylag új eszköz a „CRISPR-diagnosztika” (a CRISPR a Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats rövidítése), amely specifikus RNS-szekvenciák azonosítására szolgál. RNS-vírusok kimutatásakor általában csak viszonylag rövid genetikai szakaszokat használnak, amelyekben vírus-specifikus genetikai szekvencia található. A CRISPR-diagnosztikában Cas-enzim és fluoreszcens címkézett riport-RNS-molekula kerül alkalmazásra. Ha a mintában megtalálható a cél-RNS, a Cas-enzim elkezdi vágni mind a célszekvenciát, mind a riport-molekulát, így a színjel felszabadul, és észlelhető lesz. Ez tehát közvetett kimutatás, de az előnye, hogy nagyon specifikus. „Alapvetően elmondható: a PoCT egyre növekvő keresletet fog tapasztalni, és fontos eszköz lesz a járványok kezelésében” – összegzi Holger Becker.

Ezért profitálhatnak például a microLIQUID (Spanyolország), amely a testreszabott mikrofluidikus alkalmazásokra specializálódott, és rendelkezik a teljes lánc Know-how-jával a termék koncepciójától és fejlesztésétől a bevezetésen át a gyártásig. „Gyakran éppen a prototípusok tömeggyártásba való átültetése jelenti a legnagyobb kihívást” – magyarázta Dr. Luis Fernández, a microLIQUID CTO-ja, aki megoldásokat keres erre a problémára.

Az innováció a Life Sciences, a biotechnológia és az analitika területén a növekvő költségnyomás által van elősegítve. A minták előkészítése, egyre nagyobb adatmennyiségek generálása és feldolgozása, valamint a rövidebb átfutási idők mind hozzájárulnak ahhoz, hogy a fontos komponensek folyamatosan kicsinyítésre kerüljenek üveg- és műanyag alapanyagokban. Flow-cellák, biochipek, Lab-on-a-Chip komponensek, rácsok, integrált elektródák és mikrocsatornák, kockák: sok biophotonika és mikrofluidika alkatrész funkcionális rétegei mikro- és nanoméretben találhatók.

Azokban a területeken, ahol a mikrofluidika, a biotechnológia és az optika összefonódik, és multidiszciplináris megközelítést, valamint széles folyamatportfóliót igényel, az IMT Microtechnologies Svájcban ideális partnernek tartja magát. „Egy adott vizsgálat mikrofluidikus megoldásba való átültetése mély megértést igényel az elemzendő anyagról és a módszerekről, amelyekkel izolálni vagy a felületen rögzíteni lehet, valamint a megfelelő transzdukciós mechanizmus kiválasztását, továbbá a szükséges folyamatokat és anyagokat” – írta le Dr. Alexios Paul Tzannis, az IMT üzletfejlesztési igazgatója, a komplex feladat egyik részét. A bonyolult feladat része a komplex struktúrák kialakítása üvegalapú szilíciumlapokon, valamint az innovatív felületi kémiai módszerek alkalmazása, amelyek új fogyóeszközöket tesznek lehetővé az élet tudományában és diagnosztikában.

Folyadékszabályozás nanoszinten

A Fluigent Franciaországból széles választékot kínál mikro- és nanofluidikai alkalmazásokhoz, amelyek célja a kontroll, az automatizálás, a precizitás és a felhasználóbarát működés növelése. „A mikrofluidika utat nyit a Point-of-Care diagnosztikának. Olyan hordozható, gyors és precíz eszközökről van szó, amelyek egy orvosi laboratórium képességeit a felhasználó kezébe adják a helyszínen, például műtőben” – kommentálta Jaques Pechdimaljian, az OEM termékmenedzser a Fluigentnél. Ez annyit jelent, hogy a folyadékszabályozás a nanoszintig terjed. Ahogy egyre népszerűbbek a mikropumpák és szabályozó eszközök, a Fluigent hangsúlyt fektet arra, hogy az alkatrészeket a PoC-eszközökhöz igazítsa. Ezek lehetnek hordozható eszközök (akkumulátoros, kompakt és könnyű), pontos eszközök (áramlásstabilitás, pontosság), valamint megbízható rendszerek (elzáródás, szennyeződés, buborékok elkerülése). Az ilyen eszközök alkalmazási lehetőségei messze túlmutatnak az orvostechnikai szektoron (pl. véralvadási vizsgálatok ambulánsan a műtőben). További alkalmazási területek közé tartozik az élelmiszer- és italgyártásban a szennyeződések kimutatása vagy a kommunális víz nehézfém-ellenőrzése.

Koronavírus-antitestek kvantitatív mérése PoC-eszközökkel

Az egyik további tanulság a járványból az, hogy az mRNS-vakcinákat nagyon gyorsan ki lehet fejleszteni és adaptálni, de azok gyártása és logisztikája nehéz. A nagy mennyiségek felgyorsítása időbe telt. Emellett még nem biztos, hogy meddig tart az immunitás a vakcinák által. Ezért különösen hasznos lenne, ha a PoC-eszközök kvantitatív antitestmérést végeznének. A követelmények magasak: csak egy csepp vér a ujjbegyből, és a mérési eredmények rövid időn belül (20 percen belül) rendelkezésre állnának. A mérésnek magas érzékenységűnek és specifikusnak kell lennie, digitális rögzítéssel és adatfeldolgozással. De hogyan lehetne ilyen megoldásokat megvalósítani, például nem túl nagy eszközökkel, elfogadható beruházási költségekkel és energia-, valamint reagens-fogyasztással?

„Ahhoz, hogy jobban kihasználjuk a mikrofluidika előnyeit a PoC-nál, aktív fluidikus komponenseket kell alkalmaznunk kisebb súllyal és mérettel, valamint akkumulátorral működő energiaellátást és kis térfogatú folyadékrendszereket, amelyek lehetővé teszik a reagensek takarékos felhasználását” – magyarázta Florian Siemenroth, a Bartels Mikrotechnik képviselője. A vállalat és a partnerek, mint a mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell és Sensirion szerint „minden puzzle-darab” a helyén van, hogy aktív mikrofluidikus rendszereket valósítsanak meg. Számos szabványos alkatrész elérhető, és beépíthető egy ultrakompakt, intelligens rendszerbe. Ide tartoznak többek között mini szelepek, intelligens szivattyúk és vezérlésük, áramlásérzékelők, reagens tartályok és csővezeték-rendszer. Ezek az elemek és rendszerek már elérhetők, és a belőlük kialakított rendszerek kívánt előnyöket mutatnak: lehetővé teszik az automatizált folyadékrendszerek kialakítását kereskedelmi alkatrészekkel, alacsony energiafogyasztással és kis belső térfogattal, az egész rendszer pedig ultra-kompakt, és elfér egy 96-mikrotiteres lemezen (körülbelül 128 x 85 mm). Emellett az ilyen aktív rendszerek néhány száz eurótól kezdve gyárthatók.

„Smart Fabs” a jövő vakcina- és gyógyszerfejlesztésében

A járvány nemcsak az életmentő orvosi termékek és a korszerű eljárások iránti növekvő keresletet eredményezte, hanem erős igényt alakított ki a decentralizált munkamódszerek iránt is, ami nemcsak a medtech szektort érinti. Ahhoz, hogy megfeleljünk a hatalmas időnyomásnak, „Smart Fabs” (okos gyártási rendszerek) építésére kevesebb mint 12 hónap állt rendelkezésre. „Csak a magas áteresztőképesség, a megbízhatóság, a teljes automatizálás, valamint a volumen- és költségmegtakarítás biztosíthatja ezt” – mondta Dr. Gina Greco, a svájci Sensirion Life Science, Diagnostics, Analytical Market Manager-e.

A járvány tapasztalatai azt mutatják, hogy a Life Science, diagnosztika és analitikai eszközöket tovább kell optimalizálni. „A mikrofluidikus rendszerek és szenzorok kulcsfontosságú megoldást jelentenek” – hangsúlyozta Greco. A Sensirion saját magát szakértőként látja ezen alkatrészek terén, melyek széles portfóliója ideálisan illeszkedik a mai ipari kihívások kezeléséhez. Ezek alkalmazhatók gyógyszergyárakban minden területen – legyen az kutatás és fejlesztés, gyártás vagy a minőségellenőrzés, valamint az intelligens logisztika.

A COVID-19 és a hatékony vakcinák gyors fejlesztése ráirányította a figyelmet a mikrofluidikára és kapcsolódó területeire. Az olyan mikroszisztémák, amelyek a legkisebb folyadék- és gázmennyiségeket biztonságosan kezelik, már nem nélkülözhetők a medtech szektorból. A COMPAMED Innovációs Fórum 2021 és az ott bemutatott szakértők példákat mutattak be, és egyben növelték a lelkesedést a COMPAMED 2021-es kiállítás témáinak és újdonságainak iránt, melyek a mikrotechnológiától az új anyagokon át a csomagolási megoldásokig terjednek, valamint választ adnak minden kérdésre, amelyek a medtech termékfejlesztés és gyártás folyamatláncán felmerülnek.