COMPAMED Innovationsforum 2021: Successi nella lotta contro la pandemia attraverso la microfluidica

IVAM Mercato dei prodotti (Foto: Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Chip di analisi microfluidica (Fonte: microfluidic ChipShop)

La pandemia di COVID-19 ha avuto un grande impatto su tutti gli aspetti della vita. Quasi tutte le persone sono state colpite in qualche modo – nella loro salute, nelle loro attività professionali, in tutta la loro vita. Ma ci sono anche notevoli segnali positivi. Tra questi, soprattutto lo sviluppo rapido di vaccini, kit di test e in futuro anche farmaci, che contribuiscono in modo sostanziale ad affrontare la crisi. «La pandemia ci ha mostrato quanto siano importanti le moderne tecnologie di alta precisione per poter condurre ricerche e sviluppi rapidi ed efficaci, ad esempio per farmaci, vaccini o dispositivi diagnostici», conferma il dott. Thomas R. Dietrich, CEO dell'associazione di settore per la microtecnica IVAM. Particolarmente adatti sono i componenti microfluidici, che accelerano significativamente la velocità di sviluppo. Questo è stato chiaramente trasmesso attraverso i contributi degli esperti nel forum di innovazione COMPAMED, tenutosi digitalmente il 16 giugno, con il tema principale «Microfluidica per la diagnostica mobile e lo sviluppo e la produzione di farmaci e vaccini».

Il forum viene organizzato da molti anni in stretta collaborazione tra la fiera di Düsseldorf e l'IVAM, e fornisce sempre una panoramica sui temi attuali della principale fiera internazionale per i fornitori dell'industria medicale, la COMPAMED a Düsseldorf (prossima data: 15 – 18 novembre 2021, in parallelo con MEDICA 2021).

Un gran numero di test in tempi molto brevi

Le componenti microfluidiche consentono di eseguire rapidamente un'ampia varietà di esperimenti nel cosiddetto screening ad alto rendimento (HTS). Ciò permette di realizzare un grande numero di test in tempi molto brevi, ad esempio per verificare l'efficacia di farmaci o vaccini su cellule viventi. La velocità e la precisione dei test sono raggiunte anche grazie alle microstrutture, che consentono un controllo molto migliore dei parametri fisici e chimici (ad esempio temperatura, pressione, tempi di reazione). Un altro vantaggio di queste piccole strutture è la ridotta quantità di campione necessaria e il risparmio di reagenti. Negli ultimi mesi sono stati sviluppati nuovi prodotti e farmaci in tempi molto brevi. Senza componenti microfluidici, ciò non sarebbe stato possibile. Dispositivi e componenti come lab-on-a-chip, dispositivi di diagnostica mobile o reattori chimici microfluidici già aiutano nella lotta contro la pandemia.

Potenziale di ottimizzazione – ruolo decisivo da un lato

Le piattaforme microfluidiche sono generalmente molto adatte per uno sviluppo rapido e la commercializzazione di test Point-of-Care (PoCT). Tuttavia, il test "ideale" per il punto di cura rappresenta una grande sfida: deve essere non solo accessibile, sensibile, specifico e facile da usare, ma anche rapido, robusto, senza dispositivi e disponibile per l'utente finale. I test usati durante la pandemia mostrano che i diversi metodi hanno limiti diversi e che c'è ancora spazio per miglioramenti. I test PCR, ad esempio, richiedono più tempo, necessitano di un laboratorio di analisi, rendendo il metodo costoso e limitando il throughput. I test antigenici, invece, sono meno sensibili e talvolta producono risultati falsi-negativi. Anche i test sierologici per rilevare un'infezione già avvenuta hanno una sensibilità limitata. «Questi limiti dimostrano che nel testing non esiste una singola 'palla di vetro magica'», afferma il dott. Holger Becker, Chief Scientific Officer di microfluidicChipShop. Tuttavia, l'esperto è convinto che i test PoCT riceveranno un impulso sostenibile e che la microfluidica giocherà un ruolo decisivo soprattutto nei test molecolari.

‘Test Point-of-Care’: uno strumento importante durante la pandemia

In futuro si prevede che emergeranno ulteriori tecnologie nel settore PoCT, che potrebbero trovare più facilmente applicazione alla luce della pandemia. Si tratta, tra l'altro, di metodi di imaging diretto, eventualmente combinati con intelligenza artificiale (IA), o sensori a base di silicio (ad esempio, silicio-Photonics). Uno strumento relativamente nuovo è la «diagnostica CRISPR» (CRISPR sta per Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) per l'identificazione di sequenze RNA specifiche. Per la rilevazione di virus RNA, di solito si dispone di brevi frammenti di materiale genetico in cui è necessario individuare una sequenza genetica virale. Nella diagnostica CRISPR, si utilizza un enzima Cas e un RNA reporter fluorescente etichettato. Se presente RNA bersaglio nel campione, l'enzima Cas inizia a tagliare sia l'RNA bersaglio che il reporter, rilasciando il segnale fluorescente che può essere rilevato. Si tratta quindi di una rilevazione indiretta, ma con il vantaggio di essere molto specifica. «In linea di principio, si può dire che la domanda di test PoCT crescerà e diventerà uno strumento importante nella gestione delle pandemie», riassume Holger Becker.

Le aziende come microLIQUID (spagnola), specializzata in applicazioni microfluidiche su misura e con competenze in tutta la catena, dalla progettazione del prodotto e sviluppo fino alla produzione, ne trarranno beneficio. «Spesso, la realizzazione di un prototipo in produzione di massa rappresenta il collo di bottiglia decisivo», spiega il dott. Luis Fernández, CTO di microLIQUID, una sfida centrale per cui si cercano soluzioni.

L'innovazione nei settori delle scienze della vita, biotecnologia e analisi è guidata dall'aumento dei costi. La preparazione dei campioni, la generazione e l'elaborazione di quantità sempre maggiori di dati, e tempi di lavorazione più brevi – tutto ciò porta a una miniaturizzazione costante di componenti importanti in vetro e plastica. Flow cell, biochip, componenti lab-on-a-chip, griglie, elettrodi integrati e microcanali, cuvette: molte componenti di fotonica e microfluidica presentano strati funzionali a livello micro e nano.

Quando microfluidica, biotecnologia e ottica si sovrappongono e richiedono un approccio multidisciplinare e un ampio portafoglio di processi, IMT Microtechnologies svizzera si considera il partner ideale. «La trasposizione di un assay in una soluzione microfluidica richiede una profonda comprensione dell'analita e dei metodi per isolare o ancorarlo su una superficie all’interno della rete di canali, l’identificazione del meccanismo di transduzione più adatto, nonché dei processi e dei materiali necessari», spiega il dott. Alexios Paul Tzannis, Business Development Manager di IMT, in merito a una delle sfide complesse. La combinazione di strutturazione complessa su e in wafer di vetro con metodi innovativi di chimica delle superfici permette di sviluppare materiali di consumo innovativi per le scienze della vita e la diagnostica.

Controllo dei liquidi a livello nanometrico

Fluigent, francese, offre una vasta gamma di soluzioni per applicazioni micro- e nanofluidiche, con l'obiettivo di aumentare il controllo, l'automazione, la precisione e la facilità d'uso. «La microfluidica apre la strada alla diagnostica Point-of-Care. Si tratta di strumenti portatili, rapidi e precisi, che portano le capacità di un laboratorio medico nelle mani dell’utente sul posto, ad esempio in sala operatoria», commenta Jaques Pechdimaljian, OEM Product Manager di Fluigent. La loro missione, in altre parole, è il controllo dei fluidi fino a livello nanometrico. Con l'aumento di dispositivi di microproduzione e regolazione della pressione, Fluigent vede il suo punto di forza e il valore aggiunto nell’adattamento di sottocomponenti per dispositivi PoC. Questi riguardano dispositivi portatili (alimentati a batteria, compatti e leggeri), strumenti di alta precisione (stabilità del flusso, accuratezza) e sistemi affidabili (per evitare ostruzioni, contaminazioni, bolle, ecc.). Le applicazioni di tali dispositivi vanno ben oltre la tecnologia medica, ad esempio nel rilevamento di contaminanti in alimenti e bevande o nel monitoraggio di metalli pesanti nell'acqua pubblica.

Misurare quantitativamente gli anticorpi COVID-19 con dispositivi PoC

Un'altra lezione dalla pandemia è che i vaccini mRNA sono stati sviluppati e adattati molto rapidamente, ma la loro produzione e logistica sono difficili. La scalabilità alle grandi quantità necessarie ha richiesto tempo. Inoltre, non ci sono ancora certezze su quanto durerà l'immunità fornita dai vaccini. Per questo, sarebbe estremamente utile che i dispositivi PoC potessero misurare quantitativamente gli anticorpi. Le esigenze sarebbero alte: bastarebbe una goccia di sangue da un dito, e i risultati della misurazione dovrebbero essere disponibili in breve tempo (meno di 20 minuti). La misurazione dovrebbe essere altamente sensibile e specifica, con acquisizione e elaborazione digitale dei dati. Ma come si potrebbero realizzare soluzioni di questo tipo, ad esempio con dispositivi non troppo ingombranti, a costi di investimento sostenibili e con un consumo accettabile di energia e reagenti?

«Per sfruttare al meglio i vantaggi della microfluidica nel punto di cura, dobbiamo utilizzare componenti fluidici attivi più leggeri e di dimensioni più ridotte, così come sistemi alimentati a batteria e con volumi di fluidi contenuti, che permettano di risparmiare reagenti», spiega Florian Siemenroth di Bartels Mikrotechnik. Secondo l'azienda e i partner coinvolti, mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell e Sensirion, «tutti i pezzi del puzzle» sono sul tavolo per realizzare sistemi microfluidici attivi. Una vasta gamma di componenti standard è disponibile e può essere integrata in un sistema ultra-compatto e intelligente. Tra questi ci sono valvole miniaturizzate, pompe intelligenti e loro controlli, sensori di flusso, contenitori di reagenti e un sistema di tubi. Questi componenti già disponibili e i sistemi che ne derivano offrono i vantaggi desiderati: consentono l'automazione dei processi fluidici con componenti commerciali, hanno un basso consumo energetico e un volume interno ridotto, e l'intero sistema è ultra-compatto, compatibile con il formato di piastre da 96 pozzetti (circa 128 x 85 mm). Inoltre, tali sistemi attivi possono essere prodotti a costi inferiori a qualche centinaio di euro.

‘Smart Fabs’ per lo sviluppo futuro di vaccini e farmaci

Dalla pandemia deriva non solo una crescente domanda di prodotti medici essenziali e di metodi moderni per la produzione di terapeutici e vaccini avanzati, ma anche un forte bisogno di modelli di lavoro decentralizzati, che coinvolgono non solo il settore della tecnologia medica. Per rispondere alla forte pressione temporale, sono state create «Smart Fabs» (produzioni intelligenti) in meno di 12 mesi. «Ciò può essere possibile solo grazie a fattori di successo come alta produttività e affidabilità, automazione completa e risparmi di volume e costi», afferma la dott.ssa Gina Greco, Market Manager di Life Science, Diagnostics e Analisi presso il produttore svizzero di sensori Sensirion.

Le esperienze della pandemia mostrano che gli strumenti di scienze della vita, diagnostica e analisi devono essere ulteriormente ottimizzati. «I sistemi microfluidici, insieme ai sensori, sono una soluzione chiave», sottolinea Greco. Sensirion si considera un esperto in questi componenti, il cui ampio portafoglio si adatta perfettamente alle sfide industriali di oggi. Vengono utilizzati in tutti i settori di una fabbrica farmaceutica – dalla ricerca e sviluppo, alla produzione, al controllo qualità e alla logistica intelligente.

COVID-19 e lo sviluppo molto rapido di vaccini efficaci hanno messo in evidenza l'importanza della microfluidica e dei settori correlati. I microsistemi, in grado di gestire in modo sicuro le quantità più piccole di liquidi e gas, sono ormai imprescindibili in medicina. Il forum di innovazione COMPAMED 2021 e gli esperti coinvolti hanno mostrato esempi interessanti e stimolato l'interesse per la varietà di temi e novità di prodotto di COMPAMED 2021 a novembre: dalla microtecnica a nuovi materiali, fino a soluzioni di imballaggio per la tecnologia medica e risposte a tutte le domande lungo la catena di processo dello sviluppo e della produzione di prodotti medicali.»