Pont-Of-Care-diagnózis több betegség egyidejű azonosítására a fotonikával

Fotonikus chip négy mikroflaska-resonátorral © Fraunhofer IZM / Fotónikus chip négy mikroflaska-resonátorral © Fraunhofer IZM

Optofluidikus patron a citokinok kimutatására © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Optofluidikus patron a citokinok kimutatására © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Ez a mindennapjaink része, és név szerint legalább a COVID-19-járvány kezdete óta ismert a nem szakmai közönség számára is: PCR- vagy más antigén tesztek. Egy nemzetközi kutatási projekt zárásaként a Fraunhofer IZM vezetésével működő konzorcium bejelenti, hogy egy precíz fotonikus Point-of-Care platform bevezeti az új generációs diagnosztikus rendszereket. A platform központi eleme egy automatikus olvasóberendezés, amely optikai szálakból készült mikrostruktúrákon alapul, biztosítva a legpontosabb méréseket, miközben akár hat fotonikus szenzort is képes analizálni. Így például a tuberkulózis és a Q-láz betegségeket a jövőben korán felismerhetjük és kezelhetjük.

A COVID-19-járvány ismét rávilágított arra, milyen fontos a gyors, megfizethető és skálázható fertőző betegség diagnosztika. Akár új, akár már évtizedek óta vizsgált és kezelt betegségekről van szó, a hatékony és korai diagnosztikai eszközök hiánya évente milliók életét menthetné meg, ha rendelkezésre állnának. A megbízhatóságban, méretben vagy árban korlátozott más diagnosztikai technológiákkal szemben a fotonikus szenzorpplatformok forradalmasítják a Point-of-Care diagnosztikát, magas érzékenységet, kompakt méretet és multiplex képességeket kínálva a gyors és megbízható fertőző betegségek kimutatására.

A Fraunhofer IZM koordinálásával megvalósuló PoC-BoSens projektben nemzetközi konzorcium jött össze a fotonika, mikrofluidika, biokémia, elektronika és biomedicina kutatási területeiről, hogy egy optofluidikus, betegközeli diagnosztikai rendszert fejlesszenek ki sejtalapú mintákhoz, amely kevesebb mint 15 perc alatt lehetővé teszi különböző biomarkerek kvantitatív meghatározását több fertőző betegség esetén. A projekt koordinátora, Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez a Fraunhofer IZM-től sikeresen megerősíti: „Elértük projektcéljainkat, és egy már megerősített következő projektben végrehajthatjuk a prototípus komponensek végső integrációját és azok minősítését a projektpartnerekkel. A platform kereskedelmi célúvá tételéhez a következő lépések közé tartozik az optofluidikus kártya és az olvasóegység nagyobb léptékű gyártása, klinikai ellenőrzése és CE-jelöléshez szükséges validálása.”

A neu új típusú PoC-BoSens platform mögötti technológia egyedülálló módon ötvözi a glaszszálakból készült új típusú fotonikus palackmikrorezonátorokat és egy mikrofluidikus rendszert a minták szállítására. A palackmikrorezonátorok a fotonikus struktúrák egyik osztályába tartoznak, melyeket kiváló érzékenység és rendkívül magas kompakt méret jellemez, így kiválóan alkalmasak multiplex képességű, gyors célmolekula kimutatására például Point-of-Care alkalmazásokban. Azonban korábban nem álltak rendelkezésre integrációs megoldások ilyen palackrezonátorokra vagy más háromdimenziós optikai mikrorezonátorokra, ami eddig megakadályozta azok alkalmazását.

Pontosan ebben nyújt megoldást a Zamora Gómez által vezetett csapat az IZM-ben: az első bioszenzor-prototípus sikeresen demonstrálja négy mikroflaskarezonátor alapú praktikus chipkártya integrációját. Az IZM laboratóriumaiban félautomatikus eszközök segítségével ezeket a mikrostruktúrákat nagy pontossággal, 1 mikrométernél kisebb méretben helyezték el egy fotonikus chipen. Második lépésként a hibrid fotonikus chipet összekötötték egy mikrofluidikus chippel. Ez az optofluidikus konfiguráció kiválóan alkalmas többcsatornás célmolekula detektálására. Egy teljes mikroflaska tömb integrációs folyamata még soha nem valósult meg ilyen összetettségben. Az IZM projektcsapata vállalta ezt a kockázatot: az összeszerelt chip most összekapcsolható az olvasórendszerrel, hogy a citokinek, mint célmolekulák, elemzésre kerüljenek a PoC-BoSens platformon. A citokinek sokféle fehérjecsoportot alkotnak, amelyek fontos szerepet játszanak a tuberkulózis és a Q-láz kórokozóinak elleni védekezésben, valamint az immunrendszer működésében. Szabályozzák és koordinálják a kórokozók elleni védekezést, így hozzájárulnak ahhoz, hogy az immunreakció sikeresen végbemenjen. További alkalmazások lehetnek a kórokozók elleni antitestek kimutatása, amelyek cöliákia vagy más betegségek esetén fontosak, ahol gyors diagnózis- és megfigyeléstesztek elengedhetetlenek.

Egy magasan képzett, multidiszciplináris konzorcium folytatja a projekt eredményeinek fejlesztését, hogy további előrelépéseket érjenek el a diagnosztika terén. A részt vevő partnerek négy különböző országból származnak, az akadémiai szférából és az iparból egyaránt: Fraunhofer IZM (Németország), Osztrák Technológiai Intézet (AUT), Scuola Superiore Sant'Anna (IT), MDX Devices GmbH (Németország), ifU Diagnostic Systems GmbH (Németország), Diarect AG (Németország), SCIENION GmbH (Németország), Syel S.R.L. (Olaszország) és Unitive Design & Analysis Ltd (Egyesült Királyság). A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium támogatta a PoC-BoSens projektet a „Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)” nemzetközi támogatási program keretében. A projekt időtartama 2018. április 1-től 2021. december 31-ig tartott, a projekt összköltsége kb. 2,4 millió euró volt.