Aktualności

Lab-on-a-chip czyli laboratorium wielkości paznokcia

Fantastyczna koncepcja technologii “lab-on-a-chip” (laboratorium czipowego) zakłada możliwość przeprowadzania medycznej, laboratoryjnej diagnostyki przy pomocy urządzenia mieszczącego się na niewielkim, kilkunasto-milimetrowym czipie. Pędzący na złamanie karku rozwój biologii molekularnej, mikrofluidyki oraz nanotechnologii już powninen pozwolić nam na miniaturyzację biologicznych i medycznych analiz dotychczas dostępnych jedynie w specjalistycznych laboratoriach diagnostycznych. W mediach ten technologiczny trend jest przedstawiany jako rychła przyszłość pozwalająca osiągnąć m.in. paralelizację analiz, minimalizację wymaganych ilości odczynników chemicznych a także lepszą szybkość, czułość i ekonomikę samych pomiarów. Przyjrzyjmy się więc bliżej czym ta technologia tak naprawdę jest.

Czym jest laboratorium czipowe?

Technologia laboratorium czipowego jest rozwijana już od wczesnych lat 80. Wtedy to badaczom i inżynierom po raz pierwszy udało się wykorzystać postępy w mikrofabrykacji krzemu i polimerów do wytworzenia pierwszych miniaturowych urządzeń i układów scalonych. Zapoczątkowało to również badania i rozwój mikroskopijnych urządzeń kontrolujących przepływ wody, co doprowadziło do powstania nowej dziedziny nauki – mikrofluidyki. Mikrofluidyka zajmuje się studiowaniem zachowania i zjawisk zwiazanych z przepływem płynów w bardzo małej, mikroskopijnej skali. W tym środowisku to siły kapilarne i powierzchniowe dominują nad objętościowym przepływem wody. Urządzenia mikrofluidyczne nam na precyzyjną kontrolę i manipulację tymi zjawiskami przy pomocy precyzyjnie zaprojektowanych, mikroskopijnych kanałów przepływowych. Naukowcy i inżynierowie są w stanie wytworzyć czipy zawierające tysiące lub nawet milionych takich mikro- lub nanoskopijnych kanałów i dzięki nim kontrolować przepływ płynów (np. wody lub krwi) w objętościach tak niesamowicie małych, jak pikolitry (czyli 0.000 000 000 001 litra) a także przeprowadzać biochemiczne reakcje na równie niewielkich skalach. Oczywiście, laboratorium czipowe to nie tylko zbiór mikrokanałów. W skład typowego urządzenia muszą również wejść m.in. zintegrowane pompy, zawory, elektrody i układy scalone aby uzyskąc w pełni funkcjonalne laboratorium wielkości paznokcia. Trend rozwoju sugeruje, iż wprzyszłości laboratoria czipowe dzięki zaledwie jednej kropli krwi będą w stanie przeprowadzić równolegle tysiące biochemicznych analiz, które pozwalałyby na precyzyjną diagnostykę stanu zdrowia pacjenta.

Przykład niewielkiego urządzenia lab-on-a-chip na czipie polimerowym.

W zależności od konkretnych zastosowań, laboratoria czipowe wykonywane są najczęściej z polimerów (elastomerów, np. PDMS lub tworzyw termoplastycznych takich jak PMMA), szkła lub na waflach krzemowych. W każdym z tych przypadków, głównym procesem wytwarzania jest najczęściej mikrofabrykacja i litografia, pozwalająca na precyzyjną realizację geometrii urządzenia i integrację mikroelektrod, zaworów oraz innych elementów kontrolujących przepływ w mikrokanałach.

Dlaczego powinno nas to interesować?

W porównaniu do konwencjonalnych technologii laboratoryjnych miniaturyzacja pozwala na znaczne zmniejszenie kosztów analiz. Dobrym porównaniem jest ciągłe zmniejszanie kosztów obliczeń komputerowych dzięki rozwojowi technologi coraz mniejszych i bardziej precyzyjnych tranzystorów wg. prawa Moora. Podobnie w tym wypadku, integracja mikrofluidycznych rozwiązań pozwoli na przeprowadzanie równocześnie tysięcy analiz na niewielkiej próbce badawczej i przy pomocy niewielkich ilości (zazwyczaj drogich) odczynników chemicznych. Wpłynie to więc na cenę jednego pomiaru i jego szybkość. Ponadto, automatyzacja na mikroskopijnym poziomie pozwala na zmniejszenie kosztów szkolenia potecjalnego użytkownika ale również pozwoli zminimalizować potencjalny czynnik błędu ludzkiego. Mały, w teorii bardzo mobilny format laboratorium czipowego otwiera możliwości wykonywania szybkich analiz w warunkach polowych, przy minimalnym nakładzie specjalistycznej kadry i kosztów. Tak więc możemy oczekiwać, że w przyłości laboratoria czipowe pozwolą ochraniać i ratować ludzkie życia zarówno w krajach rozwiniętych jak i rozwijających się.

Funkcjonalne i komercyjnie dostępne urządzenie lab-on-a-chip firmy Oxford Nanopore przeznaczone do badania próbek DNA. [źródło: https://nanoporetech.com/]

Zanim to nastąpi, wypada jednak zejść na ziemię i spojrzeć krytycznie na tą technologię. Większość podejść do koncepcji lab-on-a-chip jest obecnie daleka od industrializacji i komercyjnych zastosowań. Procesy wytwórcze są nadal rozwijane w kręgach akademickich i z uwagi na ich eksperymentalnych charakter są ostrożnie adaptowane do wielkoskalowej fabrykacji. Co do samej technologii zaś, w niektórych zastosowaniach proces miniaturyzacji zwiększa stosunek sygnału do szumu (signal/noise ratio) co prowadzi do gorszej jakości pomiarów w porównaniu do konwencjonalnych laboratoriów. Co więcej, mimo, że urządzenia lab-on-a-chip są niewielkie i niezwykle wydajne wymagają do pracy specyficznego, zewnętrznego oprzyrządowania takiego jak jednostka kontroli mikropomp, przepływu czy elektrod. Bez precyzyjnego systemu pozwalajacego na wstrzykiwanie, dzielenie i pozycjonowanie próbek i odczynników laboratorium czipowe jest zwykłym kawałkiem plastiku. Te zewnętrzne urządzenia zwiększają ostateczny koszt i rozmiar potrzebnego sprzętu co stanowi poważne (aczkolwiek, biorąc pod uwagę tempo rozwoju, za pewne tymczasowe) ograniczenie dla obecnie dostępnych technologii.

Pozostaje jeszcze kwestia etyczna zastosowania takich kieszonkowych i tanich laboratoriów dostępnych (w teorii) dla każdego. Bez konkretnych regulacji i obostrzeń potencjalnie szeroka dostępność może doprowadzić do przeprowadzania diagnoz przez niewyszkolone osoby w domu, bez nadzoru czy konsultacji ze specjalistą. Jako przykład problemu podaje się np. potencjał szybkiego i precyzyjnego analizowania DNA. Teoretycznie urządzenia lab-on-a-chip mogą umożliwić każdemu badanie DNA innych osób za pomocą zwykłej kropli śliny, co może budzić (uzasadnione) kontrowersje i prawne obawy.

Czy miniaturyzacja zmieni nasze życie?

Niemniej jednak, wykorzystanie mikrofluidyki do ludzkiej diagnostyki nie jest scenariuszem filmu sci-fi lecz bardzo bliską przyszłością. Ciągle rozwijane i debatowane technologiczne podejścia do lab-on-a-chip każdego roku prześcigają się w nowych osiągach i lepszej wydajności. Zarówno małe startupy jak i ogromne korporacje od lat pracują nad komercjalizacją i dostosowaniem do rynku konkretnych analiz diagnostycznych w mikro skali. Laboratorium czipowe już dziś znajduje zastosowanie m.in. w badaniach PCR, analizie RNA i DNA, pomiarach glukozy, badaniach HIV czy detekcji pewnych biologicznych molekuł (np. wirusów, patogenów czy markerów chorobowych). Czy tego chcemy czy nie, miniaturyzacja wkracza w obszary medyczne i (prędzej czy później) będzie mieć wpływ na nasze życie.