Point-of-Care-diagnose voor meerdere ziekten tegelijk met behulp van fotonica

Fotonicachip mit vier Mikroflaschenresonatoren © Fraunhofer IZM / Fotonicachip met vier microflesresonatoren © Fraunhofer IZM

Optofluidische cartridge voor de detectie van cytokines © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Optofluidic cartridge for detection of cytokines © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Ze maken deel uit van ons dagelijks leven en zijn sinds het begin van de COVID-19-pandemie ook bekend bij een niet-specialistisch publiek: PCR- of andere antigeentests. Aan het einde van een transnationaal onderzoeksproject kondigt het consortium onder leiding van het Fraunhofer IZM aan dat een precieze fotonische Point-of-Care-platform de nieuwe generatie diagnostische systemen introduceert. Het kernstuk van het platform is een automatische uitleesapparaat op basis van microstructuren uit optische vezels, die uiterst nauwkeurige metingen garanderen en tegelijkertijd tot zes fotonische sensoren kunnen analyseren. Ziekten zoals tuberculose en Q-koorts kunnen hiermee in de toekomst vroegtijdig worden opgespoord en behandeld.

De COVID-19-pandemie heeft opnieuw aangetoond hoe belangrijk snelle, betaalbare en schaalbare diagnostiek van infectieziekten is. Zowel bij nieuwe ziekten als bij aandoeningen die al decennia worden geanalyseerd en behandeld, leidt het gebrek aan effectieve en vroegtijdig inzetbare diagnostische instrumenten elk jaar tot miljoenen vermijdbare sterfgevallen. In tegenstelling tot andere diagnostische technologieën die beperkt zijn in betrouwbaarheid, grootte of betaalbaarheid, revolutioneren fotonische sensorenplatforms de Point-of-Care-diagnostiek door hoge gevoeligheid, compactheid en multiplexmogelijkheden te bieden voor snelle en betrouwbare detectie van infectieziekten.

In het door het Fraunhofer IZM gecoördineerde project PoC-BoSens kwam een internationaal consortium van onderzoeksgebieden samen, waaronder fotonica, microfluïdica, biochemie, elektronica en biomedische wetenschappen, om een optofluïdisch, patiëntnabij diagnostisch systeem te ontwikkelen voor cellulaire monsters dat de kwantitatieve bepaling van verschillende biomarkers voor meerdere infectieziekten in minder dan 15 minuten mogelijk maakt. De projectcoördinator, Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez van het Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, kan met succes bevestigen: „We hebben onze projectdoelen bereikt en kunnen in een reeds bevestigd vervolgproject de definitieve integratie van de prototype-onderdelen en hun kwalificatie met de projectpartners realiseren. De volgende stappen op weg naar commercialisering van het platform omvatten daarom de opschaling van de optofluïdische cartridge en de uitleeseenheid, klinische verificatie en validatie voor CE-markering.“

De technologie achter het nieuwe PoC-BoSens-platform bestaat uit een voor het eerst gecombineerde toepassing van innovatieve, fotonische flesmicroresonatoren uit glasvezels en een microfluïdisch systeem voor het transport van testmonsters. Flesmicroresonatoren behoren tot een klasse van fotonische structuren die zich onderscheiden door uitstekende gevoeligheid en zeer hoge compactheid, en daarom zeer geschikt zijn voor multiplexdetectie en snelle identificatie van doelmoleculen in bijvoorbeeld Point-of-Care-toepassingen. Echter, integratieoplossingen voor dergelijke flesresonatoren of andere driedimensionale, optische microresonatoren waren voorheen niet beschikbaar, wat hun gebruik tot nu toe heeft verhinderd.

Hier komt het team van Zamora Gómez bij het Fraunhofer IZM in beeld: de eerste biosensorprototype toont de succesvolle demonstratie van de integratie van een praktische chip-cartridge gebaseerd op vier microflesresonatoren. Met behulp van halfautomatische gereedschappen in de laboratoria van het Fraunhofer IZM werden deze microstructuren met hoge precisie van minder dan een micrometer op een fotonische chip aangebracht. In een tweede stap werd de hybride fotonische chip verbonden met een microfluïdisch chip. Een dergelijke optofluïdische configuratie is uitstekend geschikt voor meervoudige detectie van doelmoleculen. Een volledig integratieproces van een array van microflesresonatoren op een chip is vanwege de complexiteit nog nooit uitgevoerd. Het projectteam van het Fraunhofer IZM heeft dit risico genomen: de geassembleerde chip kan nu worden gecombineerd met het uitleessysteem om cytokines als doelmoleculen in het PoC-BoSens-platform te analyseren. Cytokines vormen een diverse groep eiwitten die een belangrijke rol spelen bij ziekteverwekkers zoals tuberculose en Q-koorts, maar ook in het immuunsysteem. Ze sturen en coördineren de afweer tegen ziekteverwekkers en zijn daarom mede verantwoordelijk voor een succesvolle immuunrespons. Verdere toepassingen kunnen het aantonen van antistoffen betreffen, die relevant zijn bij coeliakie en andere ziekten waarbij snelle diagnose- en monitorings tests onmisbaar zijn.

Een hooggekwalificeerd multidisciplinair consortium werkt verder aan de resultaten van het project om verdere vooruitgang te boeken in de diagnostiek. De betrokken partners uit vier verschillende landen komen uit de academische wereld en de industrie: Fraunhofer IZM (Duitsland), Austrian Institute of Technology (Oostenrijk), Scuola Superiore Sant'Anna (Italië), MDX Devices GmbH (Duitsland), ifU Diagnostic Systems GmbH (Duitsland), Diarect AG (Duitsland), SCIENION GmbH (Duitsland), Syel S.R.L. (Italië) en Unitive Design & Analysis Ltd (Verenigd Koninkrijk). Het Bundesministerium für Bildung und Forschung financierde het PoC-BoSens-project binnen het kader van de transnationale subsidie-initiatie „Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)“. De projectduur was van 1 april 2018 tot 31 december 2021, het projectvolume bedroeg ongeveer 2,4 miljoen euro.