COMPAMED Innovationsforum 2021: Successen in de strijd tegen de pandemie door microfluidica

IVAM Product Market (Foto: Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Microfluidic-analysechip (Bron: microfluidic ChipShop)

De coronapandemie heeft grote gevolgen voor alle levensgebieden. Bijna iedereen is op een bepaalde manier getroffen – in hun gezondheid, in hun beroepsmatige activiteiten, in hun hele leven. Maar er zijn ook opmerkelijke lichtpunten. Daaronder valt vooral de snelle ontwikkeling van vaccins, testkits en in de toekomst ook medicijnen, die een essentiële bijdrage leveren aan het beheersen van de crisis. “De pandemie heeft ons laten zien hoe belangrijk moderne hoogtechnologieën zijn om snelle, effectieve onderzoek en ontwikkeling uit te voeren, bijvoorbeeld voor medicijnen, vaccins of diagnostische apparaten”, bevestigt Dr. Thomas R. Dietrich, CEO van de branchevereniging voor microtechnologie IVAM. Vooral microfluïdische componenten zijn geschikt om de ontwikkelingssnelheid aanzienlijk te versnellen. Dit heeft het op 16 juni digitaal gehouden COMPAMED Innovatieforum onder het leidthema “Microfluïdische systemen voor mobiele diagnostiek en de ontwikkeling en productie van geneesmiddelen en vaccins” met zijn deskundige bijdragen indrukwekkend overgebracht.

Het forum wordt al vele jaren in nauwe samenwerking tussen de Messe Düsseldorf en IVAM georganiseerd en geeft telkens enkele maanden van tevoren een vooruitblik op actuele onderwerpen van de internationaal leidende vakbeurs voor toeleveranciers in de medische technologie, de COMPAMED in Düsseldorf (volgende datum: 15 – 18 november 2021, parallel aan MEDICA 2021).

Een groot aantal tests in zeer korte tijd

Microfluïdische componenten maken het mogelijk om snel een groot aantal experimenten uit te voeren in de zogenaamde high-throughput screening (HTS). Dit stelt je in staat om een grote hoeveelheid tests in zeer korte tijd te realiseren, bijvoorbeeld om de werkzaamheid van medicijnen of vaccins op levende cellen te testen. De snelheid en nauwkeurigheid van de tests worden onder andere bereikt door de microstructuren, die een veel betere controle over fysische en chemische parameters (bijvoorbeeld temperatuur, druk, reactietijd) mogelijk maken. Een ander voordeel van deze kleine structuren is de geringe benodigde monstersample en het spaarzaam gebruik van reagentia. In de afgelopen maanden zijn in zeer korte tijd nieuwe producten en medicijnen ontwikkeld. Zonder microfluïdische onderdelen zou dit niet mogelijk zijn geweest. Apparaten en componenten zoals lab-on-a-chip, mobiele diagnostische apparaten of chemische microreactoren helpen al bij het bestrijden van de pandemie.

Optimalisatiepotentieel – aan de ene kant, cruciale rol – aan de andere kant

Microfluïdische platformen zijn in principe zeer geschikt voor snelle ontwikkeling en commercialisering van point-of-care-tests (PoCT). Echter, de “ideale” PoC-test vormt een grote uitdaging: hij moet niet alleen betaalbaar, gevoelig, specifiek en gebruiksvriendelijk zijn, maar ook snel, robuust, apparaatvrij en leverbaar voor eindgebruikers. De tijdens de pandemie gebruikte tests laten zien dat de verschillende methoden verschillende grenzen kennen en dat er nog verbeteringen nodig zijn. Zo zijn PCR-tests tijdrovender, vereisen ze een evaluatielaboratorium, wat de methode duur maakt en de doorvoer beperkt. De antigeentests daarentegen zijn slechts gering gevoelig en leveren soms fout-negatieve resultaten op. Ook antistoffentests voor het aantonen van een reeds doorgemaakte infectie beschikken slechts over een beperkte gevoeligheid. “Deze beperkingen laten zien dat er in het testen niet één ‘magische zilveren kogel’ bestaat”, constateert Dr. Holger Becker, Chief Scientific Officer van microfluidicChipShop. De expert is echter overtuigd dat PoCT een duurzame impuls zal krijgen en dat microfluïdische systemen vooral bij moleculaire tests een bepalende rol zullen spelen.

‘Point-of-Care-Tests’: een belangrijk instrument in de pandemie

In de toekomst wordt ervan uitgegaan dat aanvullende technologieën in het PoCT-gebied ontstaan, die zich nu door de pandemie gemakkelijker zouden kunnen doorzetten. Het gaat hierbij onder andere om directe beeldvormingstechnieken, die mogelijk worden gecombineerd met kunstmatige intelligentie (AI), of Si-gebaseerde sensoren (bijvoorbeeld silicium-Photonics). Een relatief nieuw instrument is de ‘CRISPR-diagnostiek’ (CRISPR staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) voor het identificeren van specifieke RNA-sequenties. Bij de detectie van RNA-virussen beschikt men doorgaans slechts over relatief korte stukken genetisch materiaal, waarin een virusspecifieke genetische sequentie moet worden gedetecteerd. Bij de CRISPR-diagnostiek wordt een Cas-enzym en een fluorescerend gelabeld reporter-RNA-molecuul gebruikt. Als het doel-RNA in het monster aanwezig is, begint het Cas-enzym het RNA zowel van het doel als van het reporter-molecuul te knippen, waardoor het kleurlabel wordt vrijgegeven en gedetecteerd kan worden. Het betreft dus een indirecte detectie, die echter het voordeel heeft zeer specifiek te zijn. “In principe geldt: PoCT zal een toenemende vraag beleven en een belangrijk instrument worden in de omgang met pandemieën”, vat Holger Becker samen.

Bedrijven zoals microLIQUID uit Spanje, dat zich specialiseert in op maat gemaakte microfluïdische toepassingen en beschikt over knowhow voor de volledige keten van productconcept en ontwikkeling tot introductie en productie, zullen hiervan profiteren. “Vaak is juist de omzetting van een prototype naar massaproductie de beslissende bottleneck”, legt Dr. Luis Fernández uit, CTO van microLIQUID, een centrale uitdaging waarvoor oplossingen worden gezocht.

Innovatie wordt in de gebieden life sciences, biotechnologie en analytiek gestimuleerd door de toenemende kostendruk. Het voorbereiden van monsters, het genereren en bewerken van steeds grotere hoeveelheden data, en steeds kortere doorlooptijden – al dit leidt tot een voortdurende miniaturisering van belangrijke componenten in glas en kunststof. Flow cells, biochips, lab-on-a-chip-componenten, rasterchips, geïntegreerde elektroden en microkanalen, cuvetten: veel componenten uit de biophotonica en microfluïdische technologie vertonen functionele lagen op micro- en nanoniveau.

Waar microfluïdische technologie, biotechnologie en optiek overlappen en een multidisciplinaire aanpak en een breed scala aan processen vereisen, ziet IMT Microtechnologies uit Zwitserland zichzelf als ideale partner. “Het overbrengen van een assay naar een microfluïdische oplossing vereist een diep begrip van de analyte en de methoden om deze te isoleren of op een oppervlak binnen het kanaalnetwerk te laten binden, het identificeren van het juiste transductiemechanisme en de benodigde processen en materialen”, beschrijft Dr. Alexios Paul Tzannis, Business Development Manager bij IMT, een deel van de complexe taak. Daarbij maakt de combinatie van complexe structurering op en in glaswafern met innovatieve methoden in de oppervlaktechemie het mogelijk om innovatieve verbruiksartikelen voor life sciences en diagnostiek te ontwikkelen.

Vloeistofregeling op nanoschaal

Fluigent uit Frankrijk biedt een breed scala aan oplossingen voor gebruik in micro- en nanofluïdische toepassingen, met als doel meer controle, automatisering, precisie en gebruiksvriendelijkheid. “Microfluïdische technologie effent de weg voor point-of-care-diagnostiek. Het gaat om draagbare, snelle en precieze instrumenten die de mogelijkheden van een medisch laboratorium in de handen van de gebruiker op de plaats van het gebeuren brengen, bijvoorbeeld in een operatiekamer”, aldus Jaques Pechdimaljian, OEM Product Manager bij Fluigent. De focus ligt, anders uitgedrukt: vloeistofregeling tot op nanoschaal. Nu microdrukgeneratie- en regelapparaten steeds populairder worden, ziet Fluigent de kern en meerwaarde in het aanpassen van deelcomponenten voor PoC-apparaten. Deze betreffen draagbare apparaten (batterijvoeding, compact en licht), evenals nauwkeurige apparaten (stroomstabiliteit, precisie) en betrouwbare systemen (voorkomen van verstopping, vervuiling, bellen, etc.). De toepassingsmogelijkheden van dergelijke apparaten reiken verder dan de medische technologie (ambulante controle van bloedstolsels in de operatiekamer). Andere toepassingsgebieden zijn onder meer het opsporen van verontreinigingen in voedsel- en drankproductie of het screenen op zware metalen in gemeentelijk water.

Kwantitatieve meting van corona-antistoffen met PoC-apparaten

Een andere les uit de pandemie is dat mRNA-vaccins zeer snel konden worden ontwikkeld en aangepast, maar dat de productie en logistiek moeilijk zijn. Opschaling naar de grote benodigde hoeveelheden kostte tijd. Daarnaast is er nog geen zekere uitspraak over hoe lang de immuniteit door de vaccins zal aanhouden. Daarom zou het uiterst nuttig zijn als PoC-apparaten antistoffen kwantitatief kunnen meten. De eisen zouden hoog zijn: slechts een druppel bloed uit een vinger zou voldoende moeten zijn, en de resultaten van de meting snel (onder 20 minuten) beschikbaar moeten zijn. De meting moet hooggevoelig en specifiek zijn, met digitale vastlegging en verwerking van de meetgegevens. Maar hoe kunnen dergelijke oplossingen worden gerealiseerd, bijvoorbeeld door niet te omvangrijke apparaten en tegen redelijke investeringskosten, met een acceptabel energie- en reagentieverbruik?

“Om de voordelen van microfluïdische systemen bij PoC beter te benutten, moeten we gebruik maken van actieve fluidische componenten met minder gewicht en kleinere afmetingen, evenals van energievoorziening via batterijen en kleine vloeistofvolumes, die systemen mogelijk maken om reagentia te besparen,” legt Florian Siemenroth van Bartels Mikrotechnik uit. Volgens het bedrijf en de betrokken partners mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell en Sensirion liggen “alle puzzelstukjes” op tafel om actieve microfluïdische systemen te realiseren. Een groot aantal standaardcomponenten is beschikbaar en kan worden geïntegreerd in een ultracompact en slim systeem. Daartoe behoren onder andere miniatuurventielen, intelligente pompen en besturing, doorvoersensoren, reagentia-opslag en een slangensysteem. Deze reeds beschikbare componenten en de daaruit voortvloeiende systemen bieden de gewenste voordelen: ze maken automatisering van vloeistofprocessen mogelijk met gangbare componenten, hebben een laag stroomverbruik en een gering intern volume, en het hele systeem is ultracompact en past op een 96-welplaat (ongeveer 128 bij 85 millimeter). Bovendien kunnen dergelijke actieve systemen voor enkele honderden euro’s worden geproduceerd.

‘Smart Fabs’ voor de toekomstige ontwikkeling van vaccins en medicijnen

Uit de pandemie is niet alleen een groeiende vraag naar levensnoodzakelijke medische producten en moderne methoden voor de productie van geavanceerde therapieën en vaccins voortgekomen. Daarnaast is er een sterke behoefte ontstaan aan gedecentraliseerde werkmodellen, wat niet alleen de medische technologie betreft. Om aan de enorme tijdsdruk te voldoen, moesten ‘Smart Fabs’ (slimme producties) binnen minder dan 12 maanden worden opgebouwd. “Dat kan alleen lukken met succesfactoren zoals hoge doorvoer en betrouwbaarheid, volledige automatisering, en volumebesparingen en kostenbesparingen”, aldus Dr. Gina Greco, Market Manager Life Science, Diagnostics, Analytical bij de Zwitserse sensorenfabrikant Sensirion.

De ervaringen uit de pandemie laten zien dat de instrumenten voor life sciences, diagnose en analyse verder moeten worden geoptimaliseerd. “Microfluïdische systemen samen met sensoren vormen een sleuteloplossing”, benadrukt Greco. Sensirion ziet zichzelf als expert op het gebied van deze componenten, waarvan het brede portfolio ideaal aansluit bij de industriële uitdagingen van vandaag. Ze worden toegepast in een farmaceutische fabriek in alle gebieden – of het nu gaat om onderzoek en ontwikkeling, productie, kwaliteitscontrole of slimme logistiek.

COVID-19 en de zeer snelle ontwikkeling van effectieve vaccins hebben de focus gelegd op microfluïdische technologie en gerelateerde onderwerpen. Microsystemen die de kleinste vloeistof- en gashoeveelheden veilig kunnen hanteren, zijn niet meer weg te denken uit de medische technologie. Het COMPAMED Innovatieforum 2021 en de betrokken experts uit de bedrijven toonden boeiende voorbeelden en stimuleerden tegelijk de interesse in de mix van onderwerpen en productnieuwigheden van COMPAMED 2021 in november: van microtechnologie tot nieuwe materialen en verpakkingsoplossingen voor medische technologie en antwoorden op alle vragen die zich voordoen langs de procesketen van de ontwikkeling en productie van medische producten.