V čem je tedy biosenzor unikátní?
Na rozdíl od aktuálně používaných metod, které detekují buď vzorový fragment RNA (testování pomocí metody PCR - polymerázová řetězová reakce je metoda rychlého a snadného zmnožení úseku DNA založená na principu replikace nukleových kyselin, pozn. red.), anebo detekují protilátky, které tělo vytváří (jako to dělají například rychlotesty, pozn. red.), je naše zařízení navrženo tak, aby detekovalo přímo samotné částice koronaviru.
Chápu správně, že zařízení dokáže odhalit v těle vir dříve, než se proti němu začnou tvořit protilátky? Z laického hlediska si to tedy můžu představit tak, že dokážete vir zachytit ještě před tím, než se v těle „řádně usadí“?
Když se vir dostane do těla a „usadí se“, jak říkáte, tak se začne množit podstatně dříve, než se v těle začnou tvořit protilátky. Takže jsme schopni v jakémkoli vzorku, ve kterém se nachází samotný vir (virové částice), odhalit jeho přítomnost.
Můžete vysvětlit, jak biosenzor konkrétně funguje?
Obecně se pojem biosenzor používá pro detekční zařízení, které kombinuje biologickou složku s fyzikálně-chemickým detektorem. Srdcem našeho systému je biočip s funkcionalizovaným ultra-rezistentním povrchem, který je propojen s měřicím systémem fungujícím na piezoelektrickém principu. Povrch biosenzoru je navržen tak, že zůstává pořád čistý i ve velice komplexním roztoku a zachytává pouze částice koronaviru.
Celý systém pracuje se vzorky rozpuštěnými v kapalině. Odebraný vzorek přidáme do roztoku, který pak pomocí mikrofluidické cely pouštíme přes povrch našeho biočipu. Jakmile se na povrchu zachytí virové částice, detekujeme to jako změnu signálu.
Alexandr Dejneka je vedoucí sekce optiky a odděleni optických a biofyzikálních systémů Fyzikálního ústavu AV ČR v.v.i. Aktuálně se zabývá rozvojem nových fyzikálních metod pro použití v průmyslu, biofyzice a medicíně. V současné době je hlavním řešitelem a předsedou Rady Národního centra kompetencí MATCA, jehož cílem je vybudovat robustní most mezi vědou a průmyslem, a to včetně popularizace a vzdělávání studentů i odborné veřejnosti.  |
I u vašeho biosenzoru stále mluvíme o odebírání vzorků?
Ano. Námi navržená metoda pracuje se vzorky rozpuštěnými v kapalině. To znamená, že odebereme vzorek bud’ formou stěru, tělních tekutin, nebo můžeme testovat i přímo vodu. V případě testovaní pacientů pomocí klasického stěru má vzorek tu výhodu, že se odebírá z místa s nejvyšší koncentrací virových částic. Proto bych tento postup zachoval, jelikož čím vyšší je koncentrace viru ve vzorku, tím je doba detekce kratší. Samozřejmě je možné tuto metodu použít i pro detekci viru ze stěru z klik, podlah, oblečení a k detekci viru například v odpadních vodách.
V odpadních vodách?
Dostali jsme velmi zajímavou nabídku na testování odpadních a podzemních vod, kam se virus také může dostávat z nakažených pacientů. Ta pravděpodobnost je malá, ale v nějakém množství se virus do spodních či odpadních vod dostat může. Nejedná se v tomto případě o testování lidí, ale potenciálních zdrojů nákazy, protože nikdo neví, jak to v současně době s těmi odpadními vodami je. Někde se objevily informace o tom, že zdrojem nákazy mohou být kanalizační systémy. Nemusí to být pravda, ale určitě na tom budeme pracovat.
„Nemáme pochyby o funkčnosti“
Takže nyní již odpadní vody testujete?
V tuto chvíli vyvíjíme senzor. Aktuální stav je takový, že díky spolupráci s policií jsme ve fázi prototypování, tedy technologii už máme. Již jsme testovali nějaké viry, bakterie a toxiny. Víme tedy, jak to funguje a jak náš biosenzor funkcionalizovat na konkrétní virus. Jediné, co nás dosud brzdilo z hlediska koronaviru, byl přístup k laboratořím, které mají na výzkum koronaviru povolení. Není jich mnoho, ale podařilo se zahájit spolupráci s Biologickým centrem AV ČR v Českých Budějovicích a s Přírodovědeckou fakultu Jihočeské univerzity. Také se nám ozvaly další laboratoře, takže už máme kompletní infrastrukturu potřebnou pro další vývoj.
Nemáme pochyb o funkčnosti technologie, ale potřebujeme ji odladit pro tento virus. Víme například, kolik jsme schopni zachytit bakterií, ale zatím neznáme citlivost biočipu na koronavirus. Podle našich odhadů a simulací bude citlivost biosenzoru vysoká a naprosto dostačující k testování. Naším cílem je ale připravit senzor co nejcitlivější, abychom byli schopni odhalit i malé množství viru. Teď jsme ve stavu prvotního testování, do několika týdnů bychom již mohli mít první prototyp.
Vizualizace biosenzoru
Bude vás v tomhle ohledu do budoucna ještě něco brzdit? Vytvoříte prototyp, jaký bude pak další postup, jak dostat biosenzor na trh?Jakékoliv testovací zařízení podléhá standardní certifikaci, to znamená, že my budeme muset prokázat jeho bezpečnost a funkčnost. Myšlenka je, aby se to používalo ve velkém a aby jej mohla využít státní správa, hygiena a tak dále. Vzhledem k aktuální situaci věřím, že by certifikační a validační procesy mohly být urychleny.
Vzhledem k tomu, že jsme výzkumná laboratoř, budeme schopni vyrobit maximálně sto čipů týdně. Abychom technologii zpřístupnili širokému množství uživatelů, bude potřeba převést výrobu do průmyslu. Pak by se o certifikaci a ověření měl podle zákona postarat už samotný výrobce. My jako akademický ústav coby výrobce vystupovat nemůžeme. Uděláme prototyp a k němu kompletní dokumentaci, případně nastavíme možnost jak technologii škálovat a v zájmu rychlého zavedení můžeme výrobci pomoci se stavbou výrobní linky.
Už vás nějaký výrobce oslovil?
Oslovilo nás několik zahraničních výrobců a probíhají předběžná jednání. Nyní jsme ve stavu, kdy nejdůležitější část technologie připravujeme k patentování. Patentovou přihlášku bychom chtěli podat v řádu týdnů, což umožní otevřená jednání s průmyslem. Zatím jsme přihlášku podat nestihli, protože veškeré úsilí směřuje k vývoji samotného biočipu a nové myšlenky vznikají každý den.
Zpátky k senzoru samotnému. Dokáže tedy váš přístroj naprosto jasně říci, zda je člověk pozitivní na koronavirus, či nikoliv?
Ano, jelikož bude možné detekovat přímo přítomnost částic koronaviru.
Za jak dlouho budete schopni říct, zda je člověk nakažený? Pohybuje se čas v řádu hodin, minut?
Dle předběžných testů umožňuje tato metoda detekci v rozmezí 10 až 30 minut v závislosti na koncentraci detekované látky.
Objevit koronavir co nejdříve
Takže půl hodina je pro vás hraniční čas, kdy budete s jistotou znát výsledek?
Ano. Může se také stát, že u vzorku, kde bude hodně viru, budeme vědět výsledek už do pěti minut. Pak nemusíme testovat dále. Do 30 minut bychom ale s jistotou měli být schopni říci, jak na tom člověk je.
Kde se vzal nápad něco takového vytvořit?
S tímto nápadem přišla doktorka Lísalová, která vede tým Funkčních biorozhraní v rámci Oddělení optických a biofyzikálních systémů Fyzikálního ústavu AV ČR. Přispělo k tomu vybudování platformy pro vývoj prototypu detekčních systémů v rámci spolupráce s ochrannou službou Policie ČR, kde byly otestovány možnosti systému pro rychlé odhalování patogenních látek v potravinách.
Už jste biosenzor na něčem zkoušeli?
Aktuálně připravujeme první experimenty ve virologických laboratořích našich partnerů v Parazitologickém ústavu Biologického centra AV ČR a na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Nicméně již v rámci běžících projektů jsme například přímo detekovali bakterie Escherichia coli O157:H7 nebo Salmonella typhi v homogenizovaném hamburgeru. Také jsme úspěšně detekovali virus Hepatitidy A v potravinových vzorcích. Proto jsme přesvědčeni, že biosenzor dokáže detekovat i koronavirus, neboť virus Hepatitidy A je mnohem menší.
Máte nějaké informace o tom, že by něco podobného vznikalo i v zahraničí?
Víme, že se podobným směrem vydalo několik soukromých farmaceutických společností, které ale pracují v režimu utajení, a proto aktuální stav není známý.
Kdy by se tedy biosenzor mohl začít používat?
Snažíme se, aby to bylo co nejdříve. Chceme mít první funkční prototyp v řádu několika týdnů až měsíců. Potom nás čekají poměrně rozsáhlé testy, během kterých budeme ladit citlivost a spolehlivost.
Mohli by se například testovat lidé, kteří by se vrátili z nějakých exotických zemí. Člověk by se díky tomu mohl nechat lehce otestovat na ty nejznámější nemoci a poměrně rychle by dotyčný věděl výsledek, zda se někde nakazil, nebo ne.
Mohl by biosenzor nahradit používání současných metod testování v laboratořích či rychlotesty?
Nemyslím si, že by šlo o náhradu. Spíš bychom použitím této technologie mohli značně rozšířit možnosti testování. Klíčová je možnost detekce přítomnosti koronaviru v těle dříve, než se člověku začnou tvořit protilátky.
Nebudou se pak muset provádět další testy?
Záleží na použití této naší metody. V případě, že bychom tuto metodu použili například ke vstupní kontrole, a u někoho by se přítomnost koronaviru odhalila, stejně by poté musel podstoupit testy metodou real time PCR, která je považována za aktuální „zlatý standard“.
Musí se provádět druhé ověřování? Biosenzor nedokáže vzorek ověřit na první dobrou?
PCR je ověřená standardní metoda, kterou nemáme v plánu vytlačit, ale doplnit. Ačkoli je poměrně složitá a zdlouhavá, je zároveň velmi přesná, a proto funguje jako celosvětový standard. U biosenzoru je však výhodou, že dokážeme detekovat přímo virovou částici a říci, že u daného vzorku koronavirus stoprocentně je. Naším cílem ale není konkurovat metodě, která se rozvíjí už několik desítek let a je světovým zlatým standardem.
U biosenzoru se bude jednat spíše o rychlou a přesnou metodu, která je navíc mobilní. Samotné zařízení je poměrně malé a dá se umístit například do přenosného kufříku. To znamená, že je to myšleno spíše jako terénní metoda, kterou dokážete převést kamkoliv a do 30 minut máte výsledky.
Univerzální použití
Polymerační aparatura pro vývoj biočipů
Bude se moci biosenzor využít i na něco jiného než jen na koronavirus SARS-CoV-2?
Tato metoda je hodně univerzální a může se používat na odhalování bakterií, toxinů i virů. Záleží na správné funkcionalizaci povrchu biočipu. V principu je možné metodu upravit k testování většiny nemocí virového či bakteriálního původu. Musíme pouze správně nafunkcializovat čip v senzoru.
Některé laboratoře už projevily zájem o testování i jiných patogenních látek.
Na biosenzoru spolupracujete i s Policií ČR. V čem konkrétně vám pomáhají?
Základem pro námi vyvíjený biosensor je detekční systém aktuálně vyvíjený pro Ochrannou službu Police ČR, která nám v rámci této spolupráce poskytuje velice cenné konzultace. Více vám k tomu bohužel nemohu říci kvůli důvěrnosti. Pouze bych podotkl, že nám tato spolupráce hodně pomáhá.
Pokud se na vaší straně povede vše tak, jak má, můžeme si představit, že by biosenzory byly součástí vybavení nemocnic a hygienických stanic?
Určitě ano, viděl bych použití ještě mnohem širší. Cílem je spolehlivá, rychlá a zároveň poměrně levná detekční technologie.
V jakém slova smyslu myslíte to širší užití?
Použití bych určitě neomezoval na nemocnice či hygienické stanice. Technologii je možné využít i v soukromé sféře, ať již k testování lidí, prostorů, ovzduší či kapalin. Výhodou čipu v biosenzoru je, že dokud nezachytí virové částice, je možné jej využít opakovaně.
Můžeme si jej například představit u vstupních kontrol na pracovištích, kde je potřeba vědět na sto procent, že jsou ti lidé negativní. To znamená, že každý by musel projít tím testem, a vzhledem k tomu, že se neočekává, že každý bude pozitivní, tak by se ten čip mohl používat opakovaně, dokud by se nezachytil někdo pozitivní. Pak by se čip vyměnil a zároveň by to byla velmi levná technologie. Dvacet až třicet minut na jednu osobu není zas tak dlouhá doba, takže tohle je jedna z myšlenek, kde by se mohl biosenzor využít.
Jaký by byl rozdíl oproti současnému prototypu, na kterém pracujete?
U vícekanálového řešení je myšlenka taková, že by se mohlo paralelně testovat více vzorků. Jeden čip by mohl být použitelný paralelně k několika měřením. Nebo by se čip mohl uspořádat tak, aby umožnil detekovat přítomnost několika různých infekčních, virových a bakteriálních částic zároveň. Díky tomu by se například mohli testovat lidé, kteří by se vrátili z nějakých exotických zemí.
Člověk by se díky tomu mohl nechat lehce otestovat na ty nejznámější nemoci a poměrně rychle by dotyčný věděl výsledek, zda se někde nakazil, nebo ne. Ale to se bavíme o něčem, co budeme řešit až v druhé půlce roku.
Hodně se u nás mluví o chytré karanténě, nebo o testování v domovech důchodců. Takže vaše zařízení by se dalo využít i v těchto případech?
Ano, tady bych viděl reálné využití biosenzoru. Dokonce by se dala detekovat přítomnost viru v místnostech preventivně či cíleně u prostor, v nichž je podezření na pohyb nakažených lidí. Stačí na to například stěry z klik, podlah, nábytku a tak dále.
Pracujete u vás ještě i na něčem jiném v souvislosti s koronavirem?
Náš záběr je poměrně široký. Podílíme se na zavádění českého respirátoru do sériové výroby. Také máme zajímavý projekt na dezinfekci a sterilizaci pomocí ozonizéru a generátoru nízkoteplotního plazmatu, který na našem ústavu vyvíjíme. Se společností SIGMA Výzkumný a vývojový ústav, která vyrábí filtry do respirátorů, vyvíjíme sterilizační systém umožňující opakované použití filtrů.
Vyvíjené přenosné zařízení je schopno zničit veškerou kontaminaci bez poškození filtru. Rychlou reakci na aktuální potřeby společnosti nám umožňuje velice robustní platforma Národního centra kompetence MATCA podporovaná Technologickou agenturou České republiky. Tím pádem pokrýváme celé kolečko, nejen že detekujeme viry, chráníme před nimi obyvatelstvo, ale zároveň je i ničíme pomocí ozónu.
