Mikrolaboratoria zmienią diagnostykę

Rozmawiała Natalia Grzebisz
opublikowano: 04-10-2017, 00:00

Większość nowoczesnych metod diagnostycznych wymaga dobrze wyposażonych laboratoriów i wykwalifikowanej kadry. Analiza próbek jest kosztowna i długotrwała. „Zautomatyzowanie całej procedury diagnostyki laboratoryjnej w niewielkim urządzeniu pozwoliłoby na przyspieszenie analiz i obniżenie ich kosztów” — twierdzi fizyk dr hab. Piotr Michał Korczyk, pomysłodawca badań nad mikroprzepływami kropel.

Ten artykuł czytasz w ramach płatnej subskrypcji. Twoja prenumerata jest aktywna

Skąd wziął się pomysł na miniaturyzację diagnostyki? 

Większość procedur laboratoryjnych w analityce chemicznej czy diagnostyce medycznej polega na wykonywaniu sekwencji operacji na cieczach. Przeniesienie tych działań do mikroskopijnych kanałów pozwoliłoby na budowę mikroskopijnych laboratoriów. Operując na kroplach, nie potrzebujemy naczyń laboratoryjnych, płytek wielokołowych czy innych pojemników, żeby zarządzać ciekłymi próbkami. Kropelka sama stanowi taki pojemniczek, do którego możemy włożyć odczynniki chemiczne i próbki biologiczne. Jedna taka kropla staje się więc takim małym reaktorem chemicznym lub inkubatorem. W celu kontroli ich składu potrzebujemy narzędzi, które pozwolą nam na manipulacje tymi kropelkami. Takich narzędzi dostarczają nam właśnie badania nad mikroprzepływami, którymi się zajmujemy. To dziedzina nauki zajmująca się mechanizmami przepływu cieczy w niewielkich kanałach o grubości porównywalnej z ludzkim włosem, a nawet dużo mniejszych.

W jaki sposób można zarządzać takimi cieczami?

Różne operacje na kroplach, takie jak ich przemieszczanie, łączenie lub dzielenie w układach mikroprzepływowych mogą być przeprowadzane przy użyciu odpowiednich zaworów albo pomp strzykawkowych podłączonych do sieci mikrokanałów i sterujących przepływem kropel. Ja chciałbym zbadać możliwości programowania ruchu kropel poprzez odpowiednią architekturę sieci kanałów. Inaczej mówiąc, chcę, żeby kropelkami nie trzeba było sterować za pomocą urządzeń zewnętrznych, ale żeby same „wiedziały”, co mają robić i, co najważniejsze, żeby to robiły.

Kto będzie tworzył zespół realizujący ten projekt? 

Pomysł na projekt jest mojego autorstwa. Realizowany będzie przez grupę naukowców, która dopiero zostanie utworzona w ramach otwartej rekrutacji. Współrealizatorami będą inne jednostki naukowe z Polski, jak Instytut Chemii Fizycznej PAN, czy zagraniczne, jak Uniwersytet Techniczny w Delft. Oprócz tego współpracować będziemy z przedsiębiorstwem rozwijającym nowatorskie urządzenia do diagnostyki medycznej.

Jakie są zalety i wady tego urządzenia?

Zaletą jest wspomniana automatyzacja, miniaturyzacja oraz bardzo niewielkie użycie odczynników i próbki. Użycie kropelkowych technik mikroprocesorowych pozwala na rozbicie niewielkiej objętości próbki (jak chociażby kropli krwi pobranej z palca) na setki czy tysiące maleńkich kropelek. W każdej z tych kropelek możliwe jest przeprowadzenie innego oznaczenia lub powtórzenie tego samego oznaczenia wielokrotnie w wielu kroplach dla zwiększenia dokładności. Takie podzielenie próbki na wiele odizolowanych objętości daje duże możliwości w badaniach przesiewowych czy w nowoczesnych metodach diagnostyki molekularnej, jak na przykład cyfrowy PCR.

Jakie wyzwania czekają zaangażowanych w projekt badaczy?

Innowacyjność projektu polega na wykorzystaniu programowania ruchu kropel poprzez odpowiednie zaprojektowanie kanalików, przez które przepływa kropla. Obecnie jest dużo akademickich przykładów wykorzystania kropelek w mikroprzepływach do przeprowadzania różnorodnych procedur laboratoryjnych i diagnostycznych. Jednak nadal pozostaje wiele nierozwiązanych problemów, utrudniających przeniesienie tych technologii z badań akademickich do autonomicznego urządzenia. Sam układ mikroprzepływowy jest miniaturowy, ale potrzebuje on całego zaplecza, laboratorium, w którym spełnione są odpowiednie warunki do jego prawidłowego działania — i w tym problem. Rozwiązaniem mogą być systemy samoregulujące, bez konieczności ingerencji. 

Okazuje się, że przepływy kropel mogą wykazywać podobne właściwości do obwodu elektrycznego. Dzięki temu możliwe jest, że krople się nawzajem „czują” i komunikują. Podobnie jak w elektronice możliwe jest kodowanie całych algorytmów w strukturę mikroprzepływową i tworzenie układów scalonych z wewnętrzną logiką. Stosując to podejście, potrafimy na przykład zaprojektować układy, które liczą wchodzące do układu krople. 

W projekcie rozwiniemy to podejście i wykorzystamy je do stworzenia urządzeń mikroprzepływowych działających w zamkniętych układach kanałów. Nie będzie więc konieczności podłączania do nich pomp ani wężyków. Wewnętrzna pompa — serce — układu będzie działała jak zegar w komputerze i poprzez wytwarzanie oscylacyjnych impulsów przepływu będzie sterować całym urządzeniem.

Nie chodzi nam o to, żeby dosłownie skonstruować komputer „kropelkowy” do wykonywania obliczeń, ale o podobny poziom kontroli nad kroplowymi reaktorami, jaki mamy nad informacją w komputerze. Naszym celem jest połączenie cyfrowej precyzji operacji na kroplach z elastycznością systemu pozwalającą na programowanie dowolnych procedur analitycznych. 

Ile można dzięki niemu zaoszczędzić? 

Już od początków pojawienia się pierwszych układów mikroprzepływowych narodziła się nadzieja, że umożliwią one zbudowanie automatycznych, tanich i prostych w obsłudze urządzeń do diagnostyki. Spodziewano się podobnej rewolucji, jak w elektronice po pojawieniu się tranzystorów i układów scalonych. Jak na razie ta rewolucja jeszcze nie nastąpiła. Projekt, który będę realizował, ma szansę przybliżyć nas do tego. 

Trudno mi wypowiadać się na temat szczegółowych zastosowań. Z pewnością chcemy zastosować i przetestować nasze rozwiązania w badaniach lekooporności bakterii. Jestem fizykiem, a nie specjalistą od analityki laboratoryjnej, więc nie chcę się wypowiadać szczegółowo na temat wykorzystania naszej pracy w konkretnych testach. Naszym celem jest dostarczenia narzędzia, dzięki któremu możliwe będzie wykonywanie czynności laboratoryjnych poza tradycyjnym laboratorium, bez użycia pipet, płytek wielodołkowych, próbówek i podobnego standardowego wyposażenia. Chcielibyśmy zmienić obecne standardy i paradygmaty. 

Na jakim etapie jest projekt? 

Jego realizacja rozpocznie się w przyszłym roku. Czerpie on z rezultatów naszych poprzednich badań, więc jeśli chodzi o realizację samego pomysłu to jest on w zaawansowanej fazie proof-of-concept. W projekcie skupimy się na integracji różnych elementów, optymalizacji oraz ich przystosowaniu do zastosowania w technikach diagnostycznych.

Gdzie młodzi naukowcy mogą szukać finansowania swoich pomysłów? 

Finansowanie nauki odbywa się głównie w systemie grantowym, gdzie w wyniku otwartych konkursów przeznaczane są środki finansowe dla naukowców na realizację projektów badawczych. W Polsce granty na badania naukowe finansowane są na przykład przez agencje rządowe: Narodowe Centrum Nauki, Narodowe Centrum Badań i Rozwoju czy Ministerstwo Nauki. Bardzo ważnym pozarządowym źródłem finansowania jest Fundacja na rzecz Nauki Polskiej. Oprócz tego są też instytucje europejskie, w których można starać się o wsparcie, jak na przykład European Research Counsil i Marie Skłodowska-Curie Actions.

O kim mowa

Dr hab. Piotr Michał Korczyk jest związany z Instytutem Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, gdzie obecnie prowadzi badania nad mikroprzepływami kropel. Laureat konkursu First Team Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (nagroda 2 mln zł.). Jego projekt uzyskał finansowanie Narodowego Centrum Nauki w ramach programu Sonata Bis 4 na lata 2015-2018. Stypendysta Komisji Europejskiej w ramach programu Marie Skłodowska-Curie Action (International Outgoing Fellowship).

Źródło: Puls Medycyny

Podpis: Rozmawiała Natalia Grzebisz

Najważniejsze dzisiaj
× Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.