11. COMPAMED Spring Forum ha messo in evidenza la microfluidica – un tema di grande importanza per la moderna medicina di laboratorio

Il forum di primavera di COMPAMED si è affermato come punto di incontro per esperti sviluppatori, produttori e partner di servizi dell'industria della tecnologia medica. L'evento annuale offre già in primavera uno sguardo alla COMPAMED, la piattaforma di mercato leader a livello internazionale per i fornitori della produzione medica, che si svolge ogni anno dal 13 al 16 novembre 2017 a Düsseldorf. L'11° forum di primavera si è dedicato il 3 maggio 2017 (a Francoforte sul Meno) alla microfluidica in tecnologia medica – e precisamente in tre sessioni sui temi «Aspetti generali e concetti», «Produzione di dispositivi microfluidici» e «BioMEMS e gestione delle cellule». Contesto: La tecnologia medica si sta sempre più sviluppando verso un'assistenza decentralizzata ai pazienti. Pertanto, tutte le misure diagnostiche e terapeutiche e i dispositivi devono funzionare al «Point of Care (PoC)». Questo offre grandi vantaggi rispetto alla pratica precedente, che prevedeva di indirizzare i pazienti da un medico e di eseguire i test in un laboratorio. Si possono così evitare soggiorni in ospedale, ottenere risultati più rapidi per diagnosi specifiche e trattamenti personalizzati, oltre a ridurre i costi nel sistema sanitario.

Per poter sfruttare questi vantaggi, i dispositivi per diagnosi e terapia devono funzionare in modo automatizzato e affidabile. I campioni devono essere condotti, preparati e testati in quantità esattamente definite per l'analisi. I farmaci devono essere adattati e dosati in base al quadro clinico del singolo paziente. In tutti questi settori, i sistemi microfluidici giocano un ruolo importante. Per questo motivo, l'11° forum di primavera di COMPAMED ha mostrato come vengono prodotti questi componenti e sistemi, quali materiali vengono utilizzati, ma anche come i prodotti BioMEMS vengono impiegati nella diagnostica o nel dosaggio dei farmaci. L'organizzazione del forum è a cura del IVAM, associazione di settore per la microtecnica, in collaborazione con la fiera di Düsseldorf.

Il significato che la microfluidica ha già acquisito è stato dimostrato da Henne van Heeren dell'azienda enablingMNT. EnablingMNT (Dordrecht, Paesi Bassi) si è concentrata con uffici nel Regno Unito, nei Paesi Bassi e in Germania sul supporto marketing e strategico nel settore delle micro- e nanotecnologie (MNT). «Continuiamo a vedere una forte crescita, attualmente sono già attive 750 aziende nel campo della microfluidica», sottolinea van Heeren. Circa 45 nuove startup si aggiungono ogni anno – dall'altra parte, nello stesso periodo, circa 20 aziende abbandonano questo settore, vengono acquisite o devono chiudere. I principali attori nella commercializzazione della microfluidica sono l'Università della California, Berkeley, Harvard e il Massachusetts Institute of Technology. In Europa, fanno parte del gruppo di testa l'Università di Twente, l'ETH di Zurigo e l'Università di Cambridge. Dal 1998, il numero di brevetti con il termine «Microfluidic» nel titolo o nell'abstract è aumentato rapidamente da zero a oltre 1.300 all'anno. Tra i materiali, il polidimetilsilossano, un polimero a base di silicio, è molto popolare nella ricerca universitaria, mentre l'industria preferisce i poliesteri ciclo-olefini (COP) e i copolimeri ciclo-olefini (COC), il vetro, una combinazione di vetro e silicio, e il polimetilmetacrilato (PMMA). I COC e COP sono principalmente usati per articoli monouso nel settore «Point of Care», il vetro è scelto per applicazioni più impegnative, cioè dispositivi che vengono riutilizzati frequentemente e per periodi più lunghi, ma anche in casi in cui sono necessari pressioni e temperature più elevate.

Saliva, urina o sudore potrebbero sostituire il prelievo di sangue invasivo

Oggi la maggior parte delle analisi sulla salute si basano sull'analisi del sangue ottenuto con tecniche invasive. Nell'ultimo decennio si è fatto un passo verso l'uso di fluidi corporei «liberamente accessibili» come saliva, urina e sudore. Le tecnologie utilizzate per raccogliere, preparare e analizzare questi campioni non sono però precise, robuste o semplici da usare. Inoltre, i risultati ottenuti da questi fluidi non sono particolarmente affidabili. In Svizzera, presso il Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) a Landquart, si lavora allo sviluppo di diversi sensori per il monitoraggio non invasivo dei pazienti, che possono essere impiegati anche nella diagnostica Point of Care e nei dispositivi di monitoraggio terapeutico. «Una parte importante del nostro lavoro si concentra sulle diverse capacità del nuovo dispositivo: deve poter essere usato anche da personale non specializzato, deve poter funzionare in situazioni cliniche complesse anche con soggetti da cui è difficile prelevare sangue, e deve poter essere utilizzato anche in zone remote», spiega Samantha Paoletti del CSEM.

Il CSEM sviluppa varie tecnologie basate su un approccio modulare per la diagnostica. Include la preparazione dei campioni, cioè la raccolta e l'elaborazione di fluidi corporei con diversi design microfluidici, e la rilevazione di specifici biomarcatori come elettroliti, proteine, peptidi, immunoglobuline o piccole componenti organiche (zuccheri, aminoacidi, ecc.). A tal fine, vengono impiegati sensori ottici, fluorescenti o elettrochimici, che il CSEM sviluppa, produce, funzionalizza e integra in diverse soluzioni a basso costo. Inoltre, il centro lavora sulle unità di rilevamento, sull'elettronica associata, sull'alimentazione e sulla trasmissione dei dati. «Il nostro portafoglio attuale comprende diversi sensori, in grado di rilevare, ad esempio, ioni potassio e sodio, glucosio, lattato, pH e valori di impedanza», afferma Paoletti. Il CSEM ha dimostrato che i sensori possono essere integrati negli indumenti (wearables con analisi del sudore) o utilizzati per analisi di saliva e urina.

Combinazione di microfluidica e stampa 3D per applicazioni nel diabete

Il diabete non è solo una malattia diffusa in Germania – tra i 20 e i 79 anni, più di 6,5 milioni di persone nel Paese ne sono affette. La misurazione continua della concentrazione di glucosio è possibile sia nel sangue che nel liquido interstiziale (liquido intercellulare) nel tessuto sottocutaneo, poiché il suo contenuto di glucosio è solo marginalmente ritardato rispetto a quello del sangue. L'Istituto di ricerca CIS per la micro-sensoristica di Erfurt ha sviluppato una nuova soluzione per determinare la glicemia combinando microfluidica e stampa 3D. «Il concetto del sensore non è destinato all'uso quotidiano dei pazienti diabetici, ma dovrebbe fornire un valore di glicemia su un periodo di sette giorni per il monitoraggio in terapia intensiva», afferma il dottor Jan Freitag, ricercatore presso il CIS. Il sensore completo è contenuto in una camera di calibrazione composta da due sezioni. Una è riempita con una soluzione a zero percento di zucchero, mentre l'altra contiene una soluzione con un valore di concentrazione definito. Ciò permette di memorizzare inizialmente un punto di misura con zero percento, e dopo aver aperto il divisorio tra le camere, di registrare un secondo punto di misura e di effettuare così una calibrazione a due punti. L'intero sistema consiste in una camera di misura miniaturizzata a forma di tubo (lunghezza: 25 mm, diametro: 1,2 mm), con pareti a griglia che contiene la sorgente luminosa in punta e l'interfaccia delle componenti ottiche alla fine del ago. Il materiale impiegato è acciaio al cobalto-cromo. La produzione complessa della camera di misura, con la sua struttura scheletrica, avviene tramite stampa 3D. In questo modo, grazie a un processo di fusione laser selettiva, è stato possibile costruire strutture scheletriche in una lega metallica con dimensioni fisiche compatibili con l'applicazione nel corpo umano. «Possiamo produrre contemporaneamente 250 canali su un supporto, risparmiando costi e tempo», afferma Freitag.

Gestione di fluidi fino al livello nanolitro

Le future applicazioni di laboratorio e diagnostica richiedono la manipolazione di fluidi in volumi di micro- e persino nanolitri. I sistemi attuali per la gestione di volumi così piccoli spesso non sono abbastanza precisi per soddisfare queste esigenze. Per questo motivo, l'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione (IPA) ha sviluppato, sotto il nome di I-DOT (Immediate Drop on Demand Technology), una nuova tecnologia di manipolazione di liquidi che permette di generare gocce da 2 a 12 nanolitri con un impulso di pressione. Quantità maggiori vengono raggiunte applicando fino a 400 impulsi al secondo. Le micro-forme di campioni necessarie per la distribuzione sono prodotte tramite micro-iniezione a stampo, poiché questa tecnologia consente di riprodurre «micro-fossati» di alta qualità con grande precisione. Il specialista nella micro-iniezione a stampo è MDX Devices GmbH, che si concentra sulla produzione economica di componenti di altissima precisione tramite micro- e precisione-iniezione a stampo in piccole quantità di qualità validata. «Produciamo prototipi, micro-componenti e dispositivi in plastica ad alte prestazioni tramite micro- e precisione-iniezione, e realizziamo anche processi aggiuntivi come la stampa o l'assemblaggio successivo, anche in piccole quantità, per la tecnologia medica, diagnostica, industria farmaceutica e biotecnologia, nonché per la micro-tecnica», conferma Harald Grün, amministratore delegato di MDX. L'azienda produce per la tecnologia I-DOT vari piatti microtitolatori. La tecnologia di micro-iniezione offre diversi vantaggi rispetto al processo di stampo tradizionale, tra cui basso volume di iniezione, cicli estremamente rapidi, buon riempimento, alta ripetibilità e economicità, grazie all'elevata efficienza energetica del metodo.

Isolamento completamente automatico delle cellule tumorali in un campione di sangue

Nel progetto CTCelect, finanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF), si tratta della manipolazione di cellule molto specifiche. Le cellule tumorali circolanti nel sangue (Circulating Tumor Cells, CTCs) sono considerate una fonte importante di informazioni sul progresso della malattia e sulle possibili strategie terapeutiche. Tuttavia, hanno una concentrazione estremamente bassa nel sangue. Nell'ambito del cluster per l'intervento immunitario personalizzato (Ci3), il Fraunhofer ICT-IMM e partner hanno sviluppato un citometro a flusso microfluidico con dispenser di singole cellule integrato, che può isolare automaticamente le cellule tumorali in un campione di sangue. Ciò permette di trarre conclusioni su come diversi tipi di tumore reagiscono a un trattamento. Inoltre, si possono sviluppare farmaci mirati. Il progetto, avviato nel gennaio 2017, mira ora a validare e caratterizzare il processo precedentemente studiato di arricchimento e separazione delle cellule tumorali circolanti in campioni clinici reali. «Costruiremo un dispositivo dimostrativo CTCelect con relativo test, e raccoglieremo i requisiti degli utenti clinici», spiega il coordinatore del progetto, il dottor Michael Bässler del ICT-IMM. Da un dimostratore di laboratorio si passerà a un dimostratore di valutazione. L'utente clinico, l'Istituto di ricerca sul melanoma della pelle presso l'ospedale universitario di Essen, testerà il sistema ottimizzato in termini di robustezza, sicurezza e facilità d'uso. «Abbiamo dimostrato la fattibilità di base, ora si tratta di portare più vicino al mercato il nostro dispositivo di laboratorio, raccogliendo dati rilevanti per potenziali interessati», spiega Bässler. In cima alla lista dei desideri c'è anche trovare un acquirente disposto a portare il sistema sul mercato – e la fiera COMPAMED rappresenta la piattaforma ideale per questa ricerca.

Per il 2017, nella Hall 8a e 8b del quartiere fieristico di Düsseldorf sono attesi quasi 800 espositori provenienti da oltre 40 nazioni. La COMPAMED si svolge in parallelo alla più grande fiera medica mondiale MEDICA 2017 (circa 5.000 espositori).