Znajdź zawartość

Od mniej więcej dwóch dekad naukowcy na całym świecie pracują nad urządzeniami typu lab-on-a-chip. To obiecująca technologia pozwalająca na wykorzystanie niewielkiego przenośnego urządzenia do diagnostyki i sprawdzenie stanu zdrowia za pomocą niewielkiej ilości płynów ustrojowych. Tego typu proste urządzenia już istnieją, umożliwiając proste pomiary. Przykładami nie będą tu glukometry czy testy ciążowe. Jednak inżynierowie wciąż nie potrafią poradzić sobie ze stworzeniem urządzeń do bardziej złożonych analiz, które wymagają mieszania pojedynczej próbki płynu ustrojowego z różnymi precyzyjnie odmierzonymi odczynnikami w konkretnej kolejności. Jedną z najbardziej obiecujących metod na stworzenie takiego urządzenia jest zintegrowanie wielu różnych odczynników na jednym urządzeniu. Odczynniki takie mają być nanoszone metodą podobną do druku atramentowego w niewielkich, liczonych w pikolitrach, ilościach, a całość miałaby być szczelnie zamykana. Gdy użytkownik odpieczętuje urządzenie, zawarta w odczynnikach woda natychmiast wyparuje, pozostawiając wysuszone, precyzyjnie odmierzone ilości odczynników. Pod wpływem wilgoci z płynu ustrojowego odczynniki byłyby ponownie nawadniane, a urządzenie mogłoby przeprowadzić odpowiednie pomiary. Głównym problemem z takim rozwiązaniem jest fakt, że płyn ustrojowy, przepływający przez wysuszone odczynniki, unosi je ze sobą, zakłóca sygnał i uniemożliwia przeprowadzenie precyzyjnych pomiarów. Naukowcy z Politechniki w Montrealu i laboratoriów IBM-a w Zurichu – Onur Gökçe, Yuksel Temiz i Emmanuel Delamarche – postanowili zaradzić problemowi roznoszenia odczynników poprzez rozciągnięcie kropli wody do kształtu długiej wstążki w mikrokanale o szerokości ludzkiego włosa i zmuszenie wody by zagięła się na nałożyła na siebie. W ten sposób próbka wody zamyka się podobnie jak zamek błyskawiczny. Ten proces pozwolił nam na ograniczenie do minimum lokalnego przepływu wody. W ten sposób odczynniki zostają nawodnione, ale nie są rozpraszane, mówi Emmanuel Delamarche, który stoi na czele IBM-owskiej grupy zajmującej się diagnostyką precyzyjną. Wyniki testów wypadły pomyślnie, chociaż naukowcy wciąż nie do końca rozumieją obserwowane przez siebie zjawisko. Nigdy wcześniej bowiem nie było ono badane. Kolejne eksperymenty wykazały jednak, że ma ono związek ze zjawiskiem koalescencji. Obserwujemy je np. podczas spontanicznego łączenia się kropli płynów, które wejdą ze sobą w kontakt. Z fizycznego punktu widzenia koalescencja to wynik silnego powinowactwa molekuł wody, którego celem jest zmniejszenie powierzchni wody wystawionej na działanie powietrza. Dlatego właśnie niewielkie krople wody mają kształt sfery. Sfera bowiem, ze wszystkich kształtów, ma jedną z najmniejszych powierzchni dla danej objętości. W tym przypadku badamy, co się stanie, jeśli kropla wody, rozciągnięta w mikrokanaliku, łączy się z inną częścią samej siebie. Naszym celem jest zrozumienie i kontrolowanie tego zjawiska tak, byśmy mogli wymusić na płynie pozostanie dokładnie w miejscu, w którym napotkał na odczynnik, wyjaśnia profesor Gervais, dyrektor Laboratorium Mikropłynów Onkologicznych na Polytechnique Montreal. Opracowywane przy tej okazji modele matematyczne pozwoliły na lepsze kontrolowanie przepływu cieczy oraz uzyskanie bardzo precyzyjnej konfiguracji czasowo-przestrzennej sygnałów chemicznych z odczynników przy ich minimalnej dyspersji, bez konieczności interwencji ze strony użytkownika. Dotychczas eksperymentalnie wykazano, że nowo opracowany architektura „autokoalescencji” może zostać wykorzystana do badania reakcji enzymatycznych, wykrywania różnych chorób oraz przeprowadzania reakcji łańcuchowej polimerazy w temperaturze pokojowej. W przyszłości mogą dzięki temu powstać proste w użyciu testy genetyczne sekwencjonujące DNA pod kątem występowania różnych chorób, podatności na nowotwory czy identyfikowania wirusów. Mamy nadzieję, że opracowana przez nas technika pozwoli twórcom urządzeń typu lab-on-a-chip na opracowanie niedostępnych obecnie narzędzi diagnostycznych, które będą równie proste w użyciu, co współczesne glukometry, mówi doktor Delamarche. Takie proste urządzenia mogłyby stanowić nieocenioną pomoc zarówno w badaniach stanu zdrowia całych społeczeństw, gdyż uzyskane wyniki można by przesyłać na smartfony, a stamtąd do scentralizowanej bazy danych. Byłyby również niezwykle cennym narzędziem w walce z epidemiami, szczególnie w odległych zakątkach świata, gdzie dostęp do lekarzy i laboratoriów jest utrudniony. « powrót do artykułu

W przyszłości postęp technologiczny może doprowadzić do powstania mikroukładów zdolnych do wykrywania setek chorób. Urządzenia takie mogłoby np. identyfikować pojedyncze komórki nowotworowe we krwi. Jednak produkcja układów typu lab-on-a-chip jest trudna z technicznego punktu widzenia, czasochłonna i niezwykle kosztowna. Obecnie nanoczujniki wykonuje się za pomocą litografii elektronowej. To bardzo powolna metoda. Stworzenie czujników na powierzchni 6 milimetrów kwadratowych zajmuje wiele godzin. Jako że za samo wynajęcie maszyny do litografii trzeba zapłacić 200 USD za godzinę, takie czujniki kosztowałyby ponad 600 dolarów za sztukę. Nikt nie chce, by układy były tak drogie. Naukowcy szukają czegoś tańszego. To wyklucza wiele technik produkcji - mówi profesor Nicholas Fang z MIT-u, twórca prostej, precyzyjnej i taniej techniki produkcji czujników. Uczony wraz z zespołem wykorzystali technologię podobną do litografii, w której wykorzystuje się polimerowe „pieczątki". Najpierw polimer nakłada się pod ciśnieniem na wzorzec, a następnie poddaje się go działaniu światła ultrafioletowego. Polimer twardnieje. Później zostaje zdjęty ze wzorca i wypełniony metalem. Polimer jest następnie usuwamy, dzięki czemu otrzymujemy metalowy wzorzec. Technika ta jest tania, jednak nieprecyzyjna. Polimer może się nieco odkształcać, dając kopie odbiegające od oryginału. Fang postanowił zastąpić polimer szkłem. Myślimy o szkle jako o czymś bardzo delikatnym, szczególnie gdy jest roztopione. Jest ono w tym stanie bardzo płynni, miękkie i może szybko przyjmować dokładny kształt wzorca. Niezwykłe jest to, że tak samo działa ono w bardzo małej skali - stwierdził uczony. Naukowcy zaczęli szukać idealnego kandydata i stwierdzili, że ich potrzeby najlepiej zaspokoi szkło superjonowe. To materiał zawierający jony, które po przyłożeniu napięcia można łatwo aktywować. Uczeni napełnili niewielką strzykawkę takim szkłem, a następnie podgrzali igłę, by je roztopić. Później wycisnęli szkło na wzorzec. Gdy szkło stwardniało uzyskali szklaną kopię, którą nałożyli na srebrne podłoże i poddali działaniu 90 miliwoltów. Na srebrze powstał wytrawiony wzór odpowiadający kształtem szklanej kopii. Profesor S. V. Sreenivasan z University of Texas mówi, że nowa technika jest bardzo obiecująca, jednak jej twórcy muszą najpierw wykazać, iż można ją wykorzystać przy masowej produkcji. To oznacza udowodnienie, że szklany wzór może być używany wielokrotnie. Fang przyznaje, że jego technika jest wciąż dość kosztowna. Ciągle bowiem wymaga stworzenia matrycy-matki, a więc wykorzystania drogiego procesu litograficznego. Zauważa jednak, że wystarczy jedna taka matryca i jedna szklana „pieczątka". Dzięki niej można wykonać dziesiątki tysięcy niemal identycznych czujników. To fascynujące udoskonalenie już istniejących technik - mówi uczony.

Medyczne laboratorium analityczne kojarzy nam się z pomieszczeniami pełnymi probówek, z mnóstwem skompilowanych i drogich aparatów i urządzeń. I personelem, który potrzebuje dużej wiedzy i doświadczenia, żeby z tego całego sprzętu korzystać. I tak to obecnie wygląda, ale naukowcy spodziewają się, że kiedyś duże laboratorium zmieści się w walizce, a małe... w pudełku od zapałek. I krok po kroku zbliżają się do tego celu. Prace nad miniaturyzacją diagnostyki trwają między innymi na Wydziale Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Michigan. Shu Takayama, współpracownik wydziału, skonstruował ze swoim zespołem zintegrowany, miniaturowy układ pozwalający sterować przepływem cieczy w prosty sposób, identyczny z tym, w jaki elektroniczne układy scalone sterują przepływem prądu elektrycznego. Nie jest przy tym potrzebne żadne sterowanie z zewnątrz. We współczesnych podobnych systemach konieczne są zewnętrzne systemy sterowania ciśnieniem i przepływem cieczy. Potrzebna jest cała zewnętrzna, rozbudowana maszyneria - mówi prof. Takayama. - W ten sposób działały układy elektroniczne sto lat temu. Potem, z wynalezieniem układów zintegrowanych - scalonych, „myślenie" wbudowano w same układy, to był przełom, który umożliwił powstanie komputerów osobistych. Dziś takim samym przełomem ma być układ „lab-on-a-chip" skonstruowany na wydziale prof. Shu Takayamy. Skoro komputery przeniosły się z ogromnych hal pod nasze biurka, a potem do kieszeni, to czy możliwa jest taka sama miniaturyzacja aparatury diagnostycznej? Autor projektu uważa, że tak i to właśnie jest jego celem: miniaturyzacja, która pozwoli ciężką aparaturę zmieścić w urządzeniu mierzonym w centymetrach. Zintegrowanie wielu funkcji laboratoryjnych na pojedynczym, efektywnym układzie pozwala wykonywać badania przy użyciu daleko mniejszych próbek. Zarazem można wykonywać wiele testów jednocześnie, wystarczy umieścić na czipie odpowiednie systemy. Szybkie wykrywanie oznak choroby, bakterii i wirusów, toksycznych substancji, chemicznego składu żywności - to tylko niektóre z możliwych zastosowań. Wynalazek Takayamy to milowy krok w tym kierunku. Umieszczenie na jednym czipie miniaturowych systemów hydraulicznych i elektrycznych oraz połączenie ich w działający układ jest przełomem. Zarazem układ używa standardowych i konwencjonalnych technik, dzięki czemu jest zgodny z obecnie istniejącymi, funkcjonującymi już systemami analitycznymi, z którymi może być bezproblemowo łączony. Wiele osób widziało jak wygląda współczesny glukometr - urządzenie, które pozwala osobom chorym na cukrzycę szybko i łatwo mierzyć poziom cukru we krwi. Obecnie taki glukometr kosztuje kilkadziesiąt złotych, mieści się w kieszeni, a obsługiwać go może każdy, kto przeczyta instrukcję. Podobny aparat wykonujący pełną analizę krwi, wykrywający toksyny w organizmie, identyfikujący groźne bakterie i wirusy - to wizja całkowicie realna, choć oczywiście dzielą nas jeszcze lata od jej realizacji. To już kwestia nie „czy", ale „kiedy". Pisaliśmy niedawno o planach amerykańskiego Departamentu Bezpieczeństwa Krajowego, który chce w przyszłości umieścić w każdym telefonie komórkowym system wykrywający skażenia powietrza. Dzięki właśnie takim pracom, jak prototypowy układ michigańskiego Wydziału Inżynierii Biomedycznej, takie wizje szybko przybliżają się do realizacji.

Miniaturowe "laboratorium na szkiełku" (ang. lab-on-a-chip) ma szansę stać się istotnym wsparciem techniki zapłodnienia in vitro. O opracowaniu urządzenia informują naukowcy z MIT i Fertility Laboratories of Colorado. Zdaniem badaczy nowa metoda jest szybsza, prostsza w wykonaniu i bardziej niezawodna od stosowanych obecnie technik oceny jakości płodów przeznaczonych do implantacji w ciele przyszłej matki. Polega na zastosowaniu układu złożonego z kanalików wydrążonych w specjalnie przygotowanej płytce oraz układu optycznego odpowiedzialnego za wykonanie niezbędnych analiz. Dzięki nowej technologii możliwy jest precyzyjny pomiar zużycia podstawowych źródeł energii przez zarodek, co pozwala na dokładne określenie jego aktywności metabolicznej. W celu uzyskania materiału do badania embriony są hodowane w mikrolitrowej (1/1000 mililitra) kropli pożywki (medium). Następnie, za pomocą automatycznej pipety, pobiera się 2-3 nanolitry (1 nanolitr to 1/1000 mikrolitra, czyli 1/1 000 000 mililitra) cieczy i przenosi ją na szkiełko. Kolejnym etapem jest dodanie mieszaniny enzymów rozkładających podstawowe substancje odżywcze rozpuszczone w medium. Po określonym czasie następuje odczyt stężenia dwóch substancji, NADP i NADPH. Wzajemny stosunek ich koncentracji jest miarą zużycia substancji energetycznych przez komórki. Wyprodukowane urządzenie, w którym następuje dodanie obu próbek, ich zmieszanie i przeprowadzenie reakcji, zmieściłoby się na powierzchni znaczka pocztowego. Do odczytu stężenia NADP i NADPH używany jest zestaw złożony z lampy UV, mikroskopu oraz światłoczułej matrycy CCD, znanej m.in. z aparatów fotograficznych, służacej jako detektor wytwarzanego światła. Każda z wykrywanych substancji wytwarza po oświetleniu światłem ultrafioletowym falę o innej częstotliwości, co pozwala na pomiar stosunku ich koncentracji. Cały proces jest całkowicie zautomatyzowany, a udział człowieka ogranicza się do zanurzenia końcówki pipety w kropli pożywki. Autorzy metody wierzą, że pozwoli ona na podniesienie skuteczności zabiegów zapłodnienia in vitro oraz obniżenie ich kosztów. Obecnie procedura ta, przeprowadzana w Polsce kilka tysięcy razy rocznie, kończy się powodzeniem zaledwie przy co trzeciej próbie. Aby zniwelować ten problem, często wszczepia się do macicy kilka embrionów, lecz grozi to rozwojem niechcianej ciąży mnogiej. Z tego powodu lekarze są zgodni, że potrzebna jest skuteczna metoda selekcji zarodków dających największe prawdopodobieństwo powodzenia zabiegu. Czy opracowane "laboratorium na szkiełku" znajdzie zastosowanie w laboratoriach zajmujących się tym zagadnieniem, przekonamy się najprawdopodobniej w ciągu kilku lat.