COMPAMED Innovationsforum 2021: Sukcesy w walce z pandemią dzięki mikrofluidyce

IVAM Produktmarkt (Zdjęcie: Messe Düsseldorf, Constanze Tillmann)

Analiza mikrofluidyczna chip (Źródło: microfluidic ChipShop)

Pandemia koronawirusa ma ogromny wpływ na wszystkie dziedziny życia. Prawie wszyscy ludzie są w jakiś sposób dotknięci – w swoim zdrowiu, w działalności zawodowej, w całym swoim życiu. Ale są też istotne pozytywne aspekty. Do nich należy przede wszystkim szybki rozwój szczepionek, testów i w przyszłości także leków, które w znaczący sposób przyczyniają się do pokonania kryzysu. „Pandemia pokazała nam, jak ważne są nowoczesne technologie wysokiej precyzji, aby móc przeprowadzać szybkie i skuteczne badania i rozwój, np. leków, szczepionek czy urządzeń diagnostycznych”, potwierdza dr Thomas R. Dietrich, dyrektor generalny stowarzyszenia branżowego Mikrotechnologii IVAM. Szczególnie mikrofluidyczne elementy są odpowiednie do znacznego przyspieszenia tempa rozwoju. Zrobiło to imponujące wrażenie na swoim cyfrowym Forum Innowacji COMPAMED, które odbyło się 16 czerwca pod hasłem „Mikrofluidyka dla mobilnej diagnostyki oraz rozwoju i produkcji leków i szczepionek” wraz z udziałem ekspertów.

Forum to jest od wielu lat prowadzone we ścisłej współpracy targów Dusseldorf z IVAM i zawsze daje kilka miesięcy wcześniej wgląd w aktualne tematy wiodącej na świecie wystawy branżowej dla dostawców przemysłu medycznego, którą jest COMPAMED w Dusseldorfie (następny termin: 15 – 18 listopada 2021, równolegle z MEDICA 2021).

Duża liczba testów w bardzo krótkim czasie

Komponenty mikrofluidyczne umożliwiają szybkie przeprowadzanie wielu eksperymentów w tak zwanym wysokoprzepustowym badaniu (HTS). Pozwala to na realizację dużej liczby testów w bardzo krótkim czasie, na przykład w celu sprawdzenia skuteczności leków lub szczepionek na żywych komórkach. Szybkość i precyzja testów są m.in. osiągane dzięki mikrostrukturom, które umożliwiają znacznie lepszą kontrolę parametrów fizycznych i chemicznych (np. temperatura, ciśnienie, czas reakcji). Kolejną zaletą tych małych struktur jest niewielka ilość próbki i oszczędne zużycie reagentów. W ostatnich miesiącach w bardzo krótkim czasie opracowano nowe produkty i leki. Bez komponentów mikrofluidycznych nie byłoby to możliwe. Urządzenia i elementy, takie jak Lab-on-a-Chip, mobilne urządzenia diagnostyczne czy mikroreaktory chemiczne, już pomagają w walce z pandemią.

Potencjał optymalizacji z jednej strony – kluczowa rola z drugiej

Mikrofluidyczne platformy są zasadniczo dobrze dostosowane do szybkiego rozwoju i komercjalizacji testów Point-of-Care (PoCT). Jednak „idealny” test PoC stanowi duże wyzwanie: powinien być nie tylko dostępny, czuły, specyficzny i przyjazny dla użytkownika, ale także szybki, wytrzymały, bez urządzeń i dostępny dla końcowego użytkownika. Testy stosowane podczas pandemii pokazują, że różne metody mają swoje ograniczenia i nadal istnieje potrzeba ich ulepszania. Na przykład testy PCR są czasochłonne, wymagają laboratorium do analizy, co czyni je kosztownymi i ogranicza ich przepustowość. Testy antygenowe są z kolei mniej czułe i czasami dają fałszywie negatywne wyniki. Testy na przeciwciała do wykrywania już przebytych infekcji mają ograniczoną czułość. „Te ograniczenia pokazują, że nie ma jednej „magicznej kuli” w testowaniu”, stwierdza dr Holger Becker, dyrektor naukowy microfluidicChipShop. Ekspert jest jednak przekonany, że PoCT zyska na znaczeniu i mikrofluidyka odegra kluczową rolę zwłaszcza w testach molekularnych.

„Testy Point-of-Care”: ważne narzędzie w pandemii

W przyszłości można się spodziewać powstania nowych technologii w zakresie PoCT, które w kontekście pandemii mogą się teraz łatwiej upowszechnić. Chodzi tu m.in. o bezpośrednie metody obrazowania, które mogą być łączone ze sztuczną inteligencją (SI), lub czujniki na bazie krzemu (np. silikonowa fotonika). Relatywnie nowym narzędziem jest „diagnostyka CRISPR” (CRISPR oznacza Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) do identyfikacji specyficznych sekwencji RNA. Przy wykrywaniu wirusów RNA zwykle dysponuje się tylko krótkimi fragmentami materiału genetycznego, w których trzeba wykryć specyficzną sekwencję wirusa. W diagnostyce CRISPR używa się enzymu Cas i fluorescencyjnego raportera RNA. Jeśli w próbce jest docelowe RNA, enzym Cas zaczyna rozcinać zarówno RNA wirusa, jak i raportera, co powoduje uwolnienie barwnika fluorescencyjnego, który można wykryć. Jest to więc pośredni sposób wykrywania, ale z zaletą dużej specyficzności. „Podstawowa zasada jest taka: PoCT będzie cieszyć się rosnącym popytem i stanie się ważnym narzędziem w walce z pandemią”, podsumowuje Holger Becker.

Firmy takie jak microLIQUID (z Hiszpanii), specjalizująca się w niestandardowych rozwiązaniach mikrofluidycznych i posiadająca wiedzę na temat całego łańcucha od koncepcji produktu, rozwoju, wprowadzenia na rynek aż po produkcję, mogą na tym skorzystać. „Często kluczowym wąskim gardłem jest przekształcenie prototypu w masową produkcję”, wyjaśnia dr Luis Fernández, CTO microLIQUID, wskazując na główne wyzwanie, dla którego poszukuje się rozwiązań.

Innowacje w dziedzinach nauk o życiu, biotechnologii i analizach są napędzane rosnącym naciskiem na obniżanie kosztów. Przygotowanie próbek, generowanie i przetwarzanie coraz większych ilości danych oraz coraz krótsze czasy przepływu – wszystko to prowadzi do ciągłej miniaturyzacji kluczowych komponentów z szkła i plastiku. Flow Cells, biochip’y, elementy Lab-on-a-Chip, siatki, zintegrowane elektrody i mikrokanaliki, kuwetki: wiele elementów z fotoniki biologicznej i mikrofluidyki posiada warstwy funkcjonalne w mikro- i nanorozmiarze.

Gdzie mikrofluidyka, biotechnologia i optyka się pokrywają i wymagają podejścia multidyscyplinarnego oraz szerokiego portfolio procesów, tam szwajcarska firma IMT Microtechnologies widzi siebie jako idealnego partnera. „Przeniesienie testu analitycznego do rozwiązania mikrofluidycznego wymaga głębokiego zrozumienia analizowanego składnika i metod jego izolacji lub osadzenia na powierzchni w sieci kanałów, identyfikacji odpowiedniego mechanizmu transdukcji oraz potrzebnych procesów i materiałów”, opisuje dr Alexios Paul Tzannis, menedżer rozwoju biznesu w IMT, część złożonego zadania. Połączenie zaawansowanej strukturyzacji na i w szklanych waflach z nowatorskimi metodami chemii powierzchniowej umożliwia tworzenie innowacyjnych materiałów eksploatacyjnych dla nauk o życiu i diagnostyki.

Kontrola płynów na poziomie nanometrycznym

Firma Fluigent z Francji oferuje szeroki zakres rozwiązań dla zastosowań mikro- i nanofluidycznych, których celem jest większa kontrola, automatyzacja, precyzja i łatwość obsługi. „Mikrofluidyka toruje drogę do diagnostyki Point-of-Care. Chodzi o przenośne, szybkie i precyzyjne urządzenia, które przenoszą możliwości laboratorium medycznego do miejsca zdarzenia, np. do sali operacyjnej”, komentuje Jaques Pechdimaljian, menedżer produktu OEM w Fluigent. Oznacza to, innymi słowy, kontrolę płynów aż do poziomu nanometrycznego. W miarę jak urządzenia do mikrodruku i regulacji ciśnienia stają się coraz bardziej popularne, Fluigent skupia się na dostosowywaniu podzespołów do urządzeń PoC. Dotyczy to przenośnych urządzeń (zasilanych bateryjnie, kompaktowych i lekkich), precyzyjnych urządzeń (stabilność przepływu, dokładność) oraz niezawodnych systemów (zapobieganie zatykaniu, zanieczyszczeniom, pęcherzom itp.). Zastosowania takich urządzeń wykraczają daleko poza medycynę (np. ambulatoryjne badanie zakrzepów krwi w sali operacyjnej). Innymi obszarami są wykrywanie zanieczyszczeń w produkcji żywności i napojów lub screening metali ciężkich w wodzie komunalnej.

Ilościowe pomiary przeciwciał koronawirusowych za pomocą urządzeń PoC

Kolejną lekcją z pandemii jest to, że szczepionki mRNA można było bardzo szybko opracować i dostosować, ale ich produkcja i logistyka są trudne. Skalowanie do dużych ilości wymagało czasu. Nie ma jeszcze pewnych informacji, jak długo utrzyma się odporność po szczepieniu. Dlatego bardzo pomocne byłoby, gdyby urządzenia PoC mogły ilościowo mierzyć przeciwciała. Wymagania byłyby wysokie: wystarczyłaby kropla krwi z palca, a wyniki pomiaru byłyby dostępne w krótkim czasie (poniżej 20 minut). Pomiar powinien być wysoce czuły i specyficzny, z cyfrowym odczytem i przetwarzaniem danych. Ale jak można by zrealizować takie rozwiązania, na przykład za pomocą niewielkich urządzeń i przy akceptowalnych kosztach inwestycji oraz zużyciu energii i reagentów?

„Aby lepiej wykorzystać zalety mikrofluidyki w PoC, musimy korzystać zarówno z aktywnych komponentów fluidycznych o mniejszej masie i rozmiarze, jak i z zasilania bateryjnego oraz małych objętości płynów, co umożliwia oszczędzanie reagentów”, wyjaśnia Florian Siemenroth z Bartels Mikrotechnik. Według firmy i jej partnerów mementis, microfluidic ChipShop, Honeywell i Sensirion, „wszystkie elementy układanki” są na stole, aby zrealizować aktywne systemy mikrofluidyczne. Dostępnych jest wiele standardowych komponentów, które można zintegrować w ultrakompaktowy i inteligentny system. Należą do nich m.in. miniaturowe zawory, inteligentne pompy i ich sterowanie, czujniki przepływu, zbiorniki na reagent, system rur i przewodów. Te już dostępne komponenty i z nich tworzone systemy mają pożądane zalety: umożliwiają automatyzację procesów fluidycznych przy użyciu standardowych elementów, charakteryzują się niskim zużyciem energii i małym wewnętrznym wolumenem, cały system jest ultra-kompaktowy i mieści się na formacie 96-dołkowej płytki mikrotitracyjnej (około 128 x 85 mm). Ponadto takie aktywne systemy można wyprodukować za kilka setek euro.

„Smart Fabs” dla przyszłego rozwoju szczepionek i leków

Wynik pandemii to nie tylko rosnące zapotrzebowanie na niezbędne produkty medyczne i nowoczesne metody produkcji zaawansowanych terapii i szczepionek. Rozwinął się także silny popyt na zdecentralizowane modele pracy, co dotyczy nie tylko branży medycznej. Aby sprostać ogromnym presjom czasowym, „Smart Fabs” (inteligentne fabryki) musiały zostać uruchomione w mniej niż 12 miesięcy. „To możliwe tylko dzięki wysokiemu przepływowi i niezawodności, pełnej automatyzacji oraz oszczędnościom w zakresie wolumenu i kosztów”, podkreśla dr Gina Greco, menedżer rynku Life Science, Diagnostics, Analytical w szwajcarskim specjalistycznym przedsiębiorstwie Sensirion.

Doświadczenia z pandemii pokazują, że narzędzia nauk o życiu, diagnostyki i analizy muszą być dalej optymalizowane. „Mikrofluidyczne systemy wraz z sensorami są kluczowym rozwiązaniem”, podkreśla Greco. Sensirion postrzega siebie jako eksperta w tych komponentach, których szerokie portfolio jest idealne do sprostania wyzwaniom przemysłowym dzisiaj. Znajdują zastosowanie we wszystkich obszarach fabryk farmaceutycznych – od badań i rozwoju, przez produkcję, aż po kontrolę jakości i inteligentną logistykę.

COVID-19 i bardzo szybki rozwój skutecznych szczepionek skierowały uwagę na mikrofluidykę i powiązane dziedziny. Mikrosystemy, które potrafią bezpiecznie obsługiwać najmniejsze ilości płynów i gazów, są nieodłączne od branży medycznej. Forum Innowacji COMPAMED 2021 i zaangażowani eksperci z firm pokazali ciekawe przykłady i jednocześnie zwiększyli apetyt na różnorodność tematów i nowości produktowych na COMPAMED 2021 w listopadzie: od mikrotechnologii, przez nowe materiały, aż po rozwiązania opakowaniowe dla przemysłu medycznego i odpowiedzi na wszystkie pytania związane z procesami rozwoju i produkcji wyrobów medycznych.