Diagnostyka punktu opieki dla wielu chorób jednocześnie za pomocą fotoniki

Fotoniczny układ z czterema mikrorezonatorami butelkowymi © Fraunhofer IZM / Fotoniczny układ z czterema mikrorezonatorami butelkowymi © Fraunhofer IZM

Optofluidyczny wkład do wykrywania cytokin © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Optofluidyczny wkład do wykrywania cytokin © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Towarzyszą naszemu codziennemu życiu i są znane nie tylko specjalistom, ale od początku pandemii COVID-19 również szerokiej publiczności: testy PCR lub inne testy antygenowe. Na zakończenie transnarodowego projektu badawczego konsorcjum pod kierownictwem Fraunhofer IZM ogłasza, że precyzyjna fotoniczna platforma Point-of-Care wprowadza nową generację systemów diagnostycznych. Kluczowym elementem platformy jest automatyczne urządzenie do odczytu oparte na mikrostrukturach z włókien optycznych, które zapewniają bardzo dokładne pomiary i jednocześnie mogą analizować do sześciu sensorów fotonicznych. Choroby takie jak gruźlica i Q-Fever mogą być dzięki temu wykrywane i leczone we wczesnym stadium.

Pandemia COVID-19 ponownie pokazała, jak ważna jest szybka, dostępna i skalowalna diagnostyka chorób zakaźnych. Zarówno w przypadku nowych chorób, jak i tych, które są analizowane i leczone od dziesięcioleci, brak skutecznych i wczesnych narzędzi diagnostycznych co roku powoduje miliony uniknionych zgonów. W przeciwieństwie do innych technologii diagnostycznych, które są ograniczone pod względem niezawodności, rozmiaru lub przystępności cenowej, platformy sensorów fotonicznych rewolucjonizują metody diagnostyki Point-of-Care, umożliwiając wysoką czułość, kompaktowość i możliwości multiplex dla szybkiego i wiarygodnego wykrywania chorób zakaźnych.

W projekcie PoC-BoSens, koordynowanym przez Fraunhofer IZM, międzynarodowe konsorcjum z dziedzin fotoniki, mikrofluidyki, biochemii, elektroniki i biomedycyny połączyło siły, aby opracować optofluidyczny, bliski pacjentowi system diagnostyczny do próbek oparty na komórkach, umożliwiający ilościowe określenie różnych biomarkerów dla kilku chorób zakaźnych w mniej niż 15 minut. Koordynatorka projektu, dr Alethea Vanessa Zamora Gómez z Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, może z powodzeniem potwierdzić: „Osiągnęliśmy cele naszego projektu i w już zatwierdzonym kolejnym projekcie możemy zrealizować ostateczną integrację prototypowych komponentów i ich kwalifikację z partnerami projektu. Kolejne kroki na drodze do komercjalizacji platformy to skalowanie optofluidycznej kartridża i jednostki odczytowej, weryfikacja kliniczna oraz walidacja dla oznakowania CE.”

Technologia stojąca za nowatorską platformą PoC-BoSens opiera się na połączeniu po raz pierwszy nowoczesnych, fotonicznych mikrorezonatorów butelkowych z włókien szklanych i mikrofluidycznego systemu do transportu próbek testowych. Mikrorezonatory butelkowe należą do klasy struktur fotonicznych, które wyróżniają się doskonałą czułością i bardzo wysoką kompaktowością, dzięki czemu nadają się do szybkiego, multiplexowego wykrywania molekuł docelowych w zastosowaniach Point-of-Care. Jednak wcześniej rozwiązania integracyjne nie były dostępne zarówno dla takich rezonatorów butelkowych, jak i dla innych trójwymiarowych mikrorezonatorów optycznych, co uniemożliwiało ich szerokie zastosowanie.

Dokładnie w tym miejscu wkracza zespół pod kierownictwem Zamora Gómez z Fraunhofer IZM: pierwszy prototyp biosensora pokazuje udaną demonstrację integracji praktycznego chipowego kartridża opartego na czterech mikrorezonatorach butelkowych. Przy użyciu półautomatycznych narzędzi w laboratoriach Fraunhofer IZM te mikrostruktury zostały precyzyjnie wprowadzone na fotoniczny chip z dokładnością poniżej jednego mikrometra. W drugim kroku hybrydowy chip fotoniczny został połączony z mikrofluidycznym chipem. Taka konfiguracja optofluidyczna doskonale nadaje się do wielokanałowego wykrywania molekuł docelowych. Kompleksowy proces integracji układu mikrorezonatorów na jednym chipie nie był jeszcze nigdy przeprowadzony ze względu na jego złożoność. Zespół projektu z Fraunhofer IZM podjął to wyzwanie: zmontowany chip może teraz być połączony z systemem odczytu, aby analizować cytokiny jako molekuły docelowe w platformie PoC-BoSens. Cytokiny stanowią różnorodną grupę białek, które odgrywają ważną rolę zarówno w patogenach gruźlicy i Q-Fever, jak i w układzie odpornościowym. Kontrolują i koordynują obronę przed patogenami, a tym samym są współodpowiedzialne za skuteczność reakcji immunologicznej. Kolejne zastosowania mogą obejmować wykrywanie przeciwciał, które są istotne w celiakii i innych chorobach, gdzie szybkie testy diagnostyczne i monitorujące są niezbędne.

Wysoce wykwalifikowany, multidyscyplinarny konsorcjum nadal pracuje nad wynikami projektu, aby osiągnąć dalsze postępy w diagnostyce. Partnerzy z czterech różnych krajów pochodzą z sektora akademickiego i przemysłowego: Fraunhofer IZM (Niemcy), Austrian Institute of Technology (AUT), Scuola Superiore Sant'Anna (IT), MDX Devices GmbH (Niemcy), ifU Diagnostic Systems GmbH (Niemcy), Diarect AG (Niemcy), SCIENION GmbH (Niemcy), Syel S.R.L. (IT) oraz Unitive Design & Analysis Ltd (Wielka Brytania). Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań wspierało projekt PoC-BoSens w ramach transnarodowej inicjatywy finansowania „Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)”. Czas trwania projektu trwał od 1 kwietnia 2018 do 31 grudnia 2021, a jego budżet wyniósł około 2,4 mln euro.