Diagnosi sul posto per più malattie contemporaneamente con l'aiuto della fotonica

Chip fotonico con quattro microresonatori a bottiglia © Fraunhofer IZM / Photonic chip with four bottle microresonators © Fraunhofer IZM

Cartuccia optofluida per il rilevamento delle citochine © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Cartuccia optofluida per il rilevamento delle citochine © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Fanno parte della nostra quotidianità e sono noti almeno dall'inizio della pandemia di COVID-19 anche a un pubblico non specializzato: test PCR o altri test antigenici. Al termine di un progetto di ricerca transnazionale, il consorzio guidato dal Fraunhofer IZM annuncia che una piattaforma fotonica Point-of-Care di precisione introduce la nuova generazione di sistemi diagnostici. Il cuore della piattaforma è un dispositivo di lettura automatizzato basato su microstrutture di fibre ottiche, che garantiscono misurazioni estremamente precise e possono analizzare fino a sei sensori fotonici contemporaneamente. Malattie come la tubercolosi e la febbre Q possono così essere riconosciute e trattate precocemente in futuro.

La pandemia di COVID-19 ha nuovamente dimostrato quanto sia importante una diagnostica rapida, accessibile e scalabile delle malattie infettive. Sia per le malattie nuove che per quelle già analizzate e trattate da decenni, la mancanza di strumenti diagnostici efficaci e precoci ogni anno causa milioni di morti evitabili. A differenza di altre tecnologie diagnostiche, limitate in affidabilità, dimensioni o costi, le piattaforme di sensori fotonici rivoluzionano i metodi di diagnosi Point-of-Care offrendo alta sensibilità, compattezza e capacità di multiplexing per la rapida e affidabile individuazione di malattie infettive.

Nel progetto PoC-BoSens, coordinato dal Fraunhofer IZM, un consorzio internazionale di ricercatori nei settori della fotonica, microfluidica, biochimica, elettronica e biomedicina ha sviluppato un sistema di diagnosi ottofluido, vicino al paziente, per campioni cellulari, che permette la determinazione quantitativa di diversi biomarcatori per più malattie infettive in meno di 15 minuti. La coordinatrice del progetto, Dott.ssa Alethea Vanessa Zamora Gómez dell’Istituto Fraunhofer per l’affidabilità e la microintegrazione IZM, può confermare con successo: «Abbiamo raggiunto gli obiettivi del nostro progetto e, in un follow-up già approvato, realizzeremo l’integrazione definitiva dei prototipi e la loro qualificazione con i partner del progetto. I prossimi passi verso la commercializzazione della piattaforma includono quindi l’aumento della scala di produzione della cartuccia ottofluida e dell’unità di lettura, la verifica clinica e la validazione per il marchio CE.»

La tecnologia alla base della nuova piattaforma PoC-BoSens consiste in una combinazione senza precedenti di microresonatori a bottiglia fotonici in fibra di vetro e di un sistema microfluido per il trasporto dei campioni di test. I microresonatori a bottiglia appartengono a una classe di strutture fotoniche note per l’eccellente sensibilità e l’altissima compattezza, rendendoli ideali per una rilevazione multiplex rapida e precisa di molecole target in applicazioni come il Point-of-Care. Tuttavia, soluzioni di integrazione per questi microresonatori o altri resonatori ottici tridimensionali non erano disponibili prima, limitando il loro utilizzo.

Proprio qui interviene il team di Zamora Gómez del Fraunhofer IZM: il primo prototipo di biosensore dimostra con successo l’integrazione di una cartuccia chip pratica basata su quattro microresonatori a bottiglia. Con strumenti semi-automatici nei laboratori del Fraunhofer IZM, queste microstrutture sono state inserite con alta precisione, inferiore a un micrometro, su un chip fotonico. In un secondo passo, il chip fotonico ibrido è stato collegato a un chip microfluido. Una configurazione ottofluida di questo tipo è eccellente per una rilevazione multiplex di molecole target. Un processo completo di integrazione di un array di microbottiglie su un chip non era mai stato realizzato a causa della sua complessità. Il team del progetto del Fraunhofer IZM ha affrontato questa sfida: il chip assemblato può ora essere combinato con il sistema di lettura per analizzare le citochine come molecole target nella piattaforma PoC-BoSens. Le citochine costituiscono un gruppo diversificato di proteine che svolgono un ruolo importante sia nelle infezioni di tubercolosi e febbre Q sia nel sistema immunitario. Regolano e coordinano la risposta immunitaria contro i patogeni e sono quindi responsabili del buon esito di una reazione immunitaria. Altre applicazioni potrebbero riguardare il rilevamento di anticorpi rilevanti per la celiachia e altre malattie, dove test diagnostici rapidi e di monitoraggio sono indispensabili.

Un consorzio multidisciplinare altamente qualificato continua a lavorare sui risultati del progetto per fornire ulteriori progressi nella diagnostica. I partner coinvolti, provenienti da quattro paesi diversi, sono del settore accademico e industriale: Fraunhofer IZM (GER), Austrian Institute of Technology (AUT), Scuola Superiore Sant'Anna (IT), MDX Devices GmbH (GER), ifU Diagnostic Systems GmbH (GER), Diarect AG (GER), SCIENION GmbH (GER), Syel S.R.L. (IT) e Unitive Design & Analysis Ltd (UK). Il Ministero federale dell’istruzione e della ricerca ha finanziato il progetto PoC-BoSens nell’ambito dell’iniziativa transnazionale “Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)”. La durata del progetto è stata dal 1 aprile 2018 al 31 dicembre 2021, con un volume di circa 2,4 milioni di euro.