11. COMPAMED Wiosenny Forum skupił się na mikrofluidyce – temacie o dużym znaczeniu dla nowoczesnej medycyny laboratoryjnej

Forum wiosenne COMPAMED ugruntowało swoją pozycję jako miejsce spotkań ekspertów dla inżynierów, producentów i partnerów serwisowych przemysłu medycznego. Coroczne wydarzenie już na wiosnę daje wgląd w targi COMPAMED, które są wiodącą na świecie platformą rynkową dla dostawców branży medycznej produkcji, odbywającą się każdego roku od 13 do 16 listopada 2017 roku w Düsseldorfie. 11. Wiosenny Forum poświęcone było 3 maja 2017 roku (we Frankfurcie nad Menem) mikrofluidyce w technologii medycznej – i to w trzech sesjach na tematy „Ogólne aspekty i koncepcje”, „Produkcja mikrofluidycznych urządzeń” oraz „BioMEMS i obsługa komórek”. Tło: Technologia medyczna coraz bardziej rozwija się w kierunku zdecentralizowanej opieki nad pacjentem. Dlatego wszystkie działania diagnostyczne i terapeutyczne oraz urządzenia muszą działać na „Point of Care (PoC)”. To przynosi duże korzyści w porównaniu z dotychczasową praktyką, polegającą na umawianiu pacjentów do lekarza i przeprowadzaniu testów w laboratorium. Pozwala to na unikanie pobytów stacjonarnych, szybsze uzyskanie wyników do specyficznej diagnozy i spersonalizowanego leczenia, a także obniżenie kosztów w systemie opieki zdrowotnej.

Aby móc korzystać z tych plusów, urządzenia diagnostyczne i terapeutyczne muszą działać automatycznie i niezawodnie. Próbki powinny być pobierane, przygotowywane i testowane w ściśle określonych ilościach. Lekarstwa muszą być dostosowane i dawkowane do indywidualnego obrazu choroby pacjenta. We wszystkich tych obszarach odgrywają dużą rolę systemy mikrofluidyczne. Dlatego 11. Wiosenny Forum COMPAMED pokazało, jak te komponenty i systemy są produkowane, jakie materiały są do tego używane, a także jak produkty BioMEMS są wykorzystywane w diagnostyce lub dozowaniu leków. Organizatorem forum jest stowarzyszenie branżowe IVAM ds. Mikrotechnologii we współpracy z targami Düsseldorf.

Znaczenie mikrofluidyki, które już osiągnęła, potwierdził Henne van Heeren z firmy enablingMNT. enablingMNT (Dordrecht, Holandia) skupia się na wsparciu marketingowym i strategicznym w dziedzinie mikro- i nanotechnologii (MNT), mając biura w Wielkiej Brytanii, Holandii i Niemczech. „Wciąż obserwujemy duży wzrost, obecnie na świecie działa już 750 firm w dziedzinie mikrofluidyki” – podkreśla van Heeren. Co roku powstaje około 45 nowych startupów – z drugiej strony, w tym samym okresie, około 20 firm opuszcza tę dziedzinę, zostaje przejętych lub zamkniętych. Najważniejsze ośrodki komercjalizacji mikrofluidyki to Uniwersytet Kalifornii w Berkeley, Harvard oraz Massachusetts Institute of Technology. W Europie do czołówki należą Uniwersytet Twente, ETH Zürich i Uniwersytet Cambridge. Od 1998 roku liczba patentów zawierających słowo „Microfluidic” w tytule lub streszczeniu gwałtownie wzrosła z zera do ponad 1300 rocznie. Wśród materiałów bardzo popularne w badaniach uniwersyteckich jest polidimetylosiloksan, polimer na bazie krzemu, podczas gdy przemysł preferuje kopolimery cyklo-olefinowe (COP) i cyklo-olefinowe (COC), szkło, kombinację szkła i krzemu oraz polimetakrylanu metylu (PMMA). COP i COC są głównie używane do jednorazowych artykułów w zakresie „Point of Care”, szkło jest wybierane szczególnie do wymagających zastosowań, czyli urządzeń, które często i przez dłuższy czas są wielokrotnie używane, a także w przypadkach, gdy potrzebne są wyższe ciśnienia i temperatury.

Ślina, mocz czy pot mogą zastąpić inwazyjną próbę krwi

Obecnie większość badań zdrowotnych opiera się na analizie krwi, pobieranej metodami inwazyjnymi. W ciągu ostatniej dekady pojawił się krok w kierunku używania „dostępnych bez ograniczeń” płynów ustrojowych, takich jak ślina, mocz i pot. Technologie używane do pobierania, przygotowywania i analizy tych próbek nie są jednak dokładne, niezawodne ani łatwe w obsłudze. Ponadto wyniki uzyskane z tych płynów nie są szczególnie wiarygodne. W Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA (CSEM) w Landquart (Szwajcaria) prowadzone są badania nad rozwojem różnych sensorów do nieinwazyjnego monitorowania pacjentów, które mogą być wykorzystywane w diagnostyce Point of Care i urządzeniach do monitorowania terapii. „Duża część naszej pracy koncentruje się na różnych możliwościach nowego urządzenia: ma ono być obsługiwane także przez nieprzeszkolony personel, ma być użyteczne w klinicznie wymagających sytuacjach, także u osób, od których trudno pobrać próbki krwi, a także w odległych obszarach” – wyjaśnia Samantha Paoletti z CSEM.

CSEM rozwija różne technologie oparte na modularnym podejściu do diagnostyki. Obejmują one przygotowanie próbek, czyli zbieranie i przetwarzanie płynów ustrojowych za pomocą różnych mikrofluidycznych projektów, oraz wykrywanie specjalnych cząsteczek docelowych, takich jak elektrolity, białka, peptydy, immunoglobuliny czy małe składniki organiczne (cukry, aminokwasy itp.). Do tego mogą być używane optyczne, fluorescencyjne lub elektrochemiczne sensory, które CSEM opracowuje, produkuje, funkcjonalizuje i integruje w różne tanie rozwiązania. Ponadto centrum pracuje nad jednostkami wykrywania, odpowiednią elektroniką, zasilaniem i przesyłem danych. „Nasze obecne portfolio obejmuje kilka sensorów, które wykrywają np. jony potasu i sodu, glukozę, laktat, pH i impedancję” – mówi Paoletti. CSEM udowodnił, że sensory można zintegrować z odzieżą (wearables z analizą potu) lub wykorzystywać do badania śliny i moczu.

Kombinacja mikrofluidyki i druku 3D do zastosowań w cukrzycy

Cukrzyca to nie tylko choroba społeczna w Niemczech – w grupie wiekowej od 20 do 79 lat choruje na nią ponad 6,5 miliona ludzi. Ciągłe pomiary stężenia glukozy są możliwe zarówno we krwi, jak i w płynie międzykomórkowym (płyn śródmiąższowy) w tkance podskórnej, ponieważ zawartość glukozy jest tylko z niewielkim opóźnieniem czasowym w stosunku do krwi. Instytut CIS ds. Mikrosensorów w Erfurcie opracował dzięki połączeniu mikrofluidyki i druku 3D nowe rozwiązanie do pomiaru poziomu cukru we krwi. „Koncepcja sensora nie jest przeznaczona do codziennego użytku przez pacjentów z cukrzycą, lecz ma dostarczać wartość glukozy na poziomie krwi przez okres siedmiu dni w monitorowaniu intensywnej terapii” – mówi dr Jan Freitag, naukowiec z CIS. Cały sensor mieści się w kalibracyjnej komorze, składającej się z dwóch części. Jedna jest napełniona cieczą o zerowym stężeniu cukru, druga zawiera ciecz o określonym stężeniu. Umożliwia to najpierw zapisanie punktu pomiarowego z zerowym stężeniem, a po otwarciu ściany między komorami – wykonanie drugiego pomiaru i kalibrację dwupunktową. Cały system składa się z miniaturowej, rurkowatej komory pomiarowej z siatkowatymi ściankami (wymiary: 25 mm długości i 1,2 mm średnicy), zawierającej źródło światła na szczycie i interfejs optyczny na końcu igły. Materiałem jest stal kobaltowo-chromowa. Złożone wykonanie komory pomiarowej z jej szkieletową strukturą odbywa się w technologii druku 3D. Dzięki temu możliwe było zbudowanie szkieletowych struktur z stopu metali za pomocą selektywnego spiekania laserowego, które pozwalają na zastosowanie w ciele ludzkim. „Możemy jednocześnie produkować 250 kanalików na jednym podłożu, co oszczędza koszty i czas” – mówi Freitag.

Obsługa płynów aż do nanolitrów

Przyszłe laboratoria i zastosowania diagnostyczne będą wymagały podawania płynów w zakresie mikro- i nawet nanolitrów. Dotychczasowe systemy do obsługi najmniejszych objętości często nie są wystarczająco precyzyjne, aby sprostać tym wymaganiom. Dlatego Instytut Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji (IPA) opracował pod nazwą I-DOT (Immediate Drop on Demand Technology) nową technologię obsługi płynów, pozwalającą na generowanie kropli od 2 do 12 nanolitrów za pomocą impulsu ciśnienia. Większe ilości uzyskuje się poprzez zastosowanie do 400 impulsów na sekundę. Mikroformy do rozprowadzania próbek są produkowane metodą mikrospritzowania, ponieważ technologia ta umożliwia bardzo precyzyjne odtwarzanie „mikro-dołków” w dobrej jakości. Specjalistą od mikro-iniekcyjnego odlewania jest firma MDX Devices GmbH, która skupia się na ekonomicznej produkcji wysoce precyzyjnych elementów w mikro- i precyzyjnym odlewie, w małych seriach i z certyfikatem jakości. „Produkujemy prototypy, mikro-elementy i urządzenia z wysokowydajnych tworzyw sztucznych w mikro- i precyzyjnym odlewie, a także wykonujemy procesy dodatkowe, takie jak drukowanie czy montaż, także w małych seriach dla branży medycznej, diagnostycznej, farmaceutycznej, biotechnologicznej oraz mikro-systemowej” – potwierdza Harald Grün, dyrektor zarządzający MDX. Firma produkuje dla technologii I-DOT różne mikro-talerze do testów. Technologia mikroiniekcyjnego odlewania oferuje szereg korzyści w produkcji wysoce precyzyjnych elementów w porównaniu do tradycyjnego procesu wtryskowego. Należą do nich mała objętość wtrysku, ekstremalnie krótkie cykle, dobre wypełnienie formy, a także wysoka powtarzalność i opłacalność, ponieważ proces jest bardzo energooszczędny.

Automatyczna izolacja komórek nowotworowych w próbce krwi

W projekcie CTCelect, finansowanym przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF), chodzi o obsługę bardzo specjalnych komórek. Komórki nowotworowe krążące we krwi (ang. Circulating Tumor Cells, CTCs) są uważane w badaniach onkologicznych za ważne źródło informacji o postępie choroby i możliwych metodach terapii. Jednak ich stężenie we krwi jest ekstremalnie niskie. W ramach klastra na rzecz spersonalizowanej immunointerwencji (Ci3) naukowcy z Fraunhofer ICT-IMM i partnerzy opracowali mikrofluidowy cytometr przepływowy z wbudowanym pojedynczym dispenserem komórek, który może w pełni automatycznie izolować komórki nowotworowe z próbki krwi. Umożliwia to wyciąganie wniosków na temat reakcji różnych typów nowotworów na leczenie. Ponadto można opracować ukierunkowane leki. W projekcie rozpoczętym w styczniu 2017 roku chodzi o walidację i charakterystykę procesu wzbogacania i separacji wolno krążących komórek nowotworowych na rzeczywistych próbkach klinicznych. „Zbudujemy demonstrator CTCelect z odpowiednim zestawem testowym i zbierzemy wymagania użytkowników klinicznych” – mówi koordynator projektu, dr Michael Baßler z ICT-IMM. Z laboratoriów demonstracyjnych powstanie wersja oceniająca. Użytkownik kliniczny, Instytut Badań nad Rakiem Skóry w Klinice Uniwersyteckiej w Essen, będzie testować system pod kątem niezawodności, bezpieczeństwa i łatwości obsługi. „Pokazaliśmy, że jest to możliwe, teraz chodzi o przybliżenie naszego urządzenia do rynku, zbierając istotne dane dla potencjalnych zainteresowanych” – wyjaśnia Baßler. Na szczycie listy życzeń jest także znalezienie nabywcy, który chciałby wprowadzić system na rynek – dla tego celu COMPAMED będzie idealną platformą.

Na targach COMPAMED 2017 w halach 8a i 8b na terenach Messe Düsseldorf spodziewanych jest ponownie prawie 800 wystawców z ponad 40 krajów. Targi COMPAMED odbywają się równolegle z największym na świecie targami medycznymi MEDICA 2017 (około 5000 wystawców).