Τις τελευταίες δεκαετίες έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατασκευή μικρού μεγέθους αναλυτικών συσκευών που στοχεύουν να βοηθήσουν την ιατρική κοινότητα στην αποστολή της να προσφέρει στους ασθενείς παγκοσμίως καλύτερες, ταχύτερες και ακριβέστερες υπηρεσίες υγείας μέσω διαγνωστικών εργαλείων μικρού κόστους αλλά μέγαλης ακρίβειας. Μεταξύ των διαφόρων αρχών λειτουργείας που έχουν προταθεί, οι οπτικοί αισθητήρες έχουν προσελκύσει σημαντική ερευνητική προσπάθεια. Μέχρι τώρα έχουν διερευνηθεί δύο προσεγγίσεις για την κατασκευή συσκευών που βασίζονται σε οπτικούς αισθητήρες: χρήση εξωτερικών πηγών φωτός και οπτικών εξαρτημάτων (όπως π.χ., ανιχνευτές), τα οποία καθιστούν το σύστημα ογκώδες και ακριβό, ή υβριδική ενσωμάτωση που συνδυάζει ψηφίδες πυριτίου με εξωτερικές πηγές φωτός. Και οι δύο λύσεις δεν επέτρεψαν έως τώρα ούτε τη μείωση ούτε του κόστους ούτε της πολυπλοκότητας της λειτουργίας των συσκευών που αναπτύχθηκαν περιορίζοντας την ευρεία χρήση τους. Το έργο PYTHIA (FP7-ICT-2007.3.6-224030) ακολούθησε μια εναλλακτική οδό για την κατασκευή οπτικών βιοαισθητήρων που θα μπορούσαν να είναι ο πυρήνας φορητών συσκευών για επιτόπια χρήση. Συγκεκριμένα, η οπτοηλεκτρονική ψηφίδα του PYTHIA και το όργανο που αναπτύχθηκε διαφέρουν από τις υπάρχουσες τεχνολογίες καθώς υπερβαίνουν το πρόβλημα των εξωτερικών οπτικών εξαρτημάτων μέσω της μονολιθικής ολοκλήρωση όλων των οπτικών εξαρτημάτων (πηγές, μεταλλάκτες και ανιχνευτές) σε μια ψηφίδα πυριτίου. Επιπλέον, ο σχεδιασμός αυτού του βιοαισθητήρα πραγματοποιήθηκε βάση μιας νέας αρχής ανίχνευσης της συμβολομετρίας Mach-Zehnder ευρέος φάσματος (BB-MZI). Η BB-MZI εκμεταλλεύεται το πλήρες φάσμα των μονολιθικά ενσωματωμένων πηγών φωτός υπερβαίνοντας έτσι τους περιορισμούς των συμβολομετρικών τεχνικών μονού μήκους κύματος. Η BB-MZI και η μονολιθική ολοκλήρωση όλων των εξαρτημάτων επέτρεψαν τη συρρίκνωση των διαστάσεων της ψηφίδας σε <40mm2. Παρά το μικρό της μέγεθος, κάθε ψηφίδα περιείχε δέκα ανεξάρτητα συμβολόμετρα, επιτρέποντας έτσι τον προσδιορισμό έως και 10 αναλυτών. Η ψηφίδα PYTHIA περιλαμβάνει επίσης δέκα πηγές φωτός VIS-NIR μια για κάθε συμβολόμετρο τα οποία συγκλίνουν σε έναν μόνο ανιχνευτή. Η καταγραφή σήματος πραγματοποιείτο είτε μέσω ενός φωτοανιχνευτή μονολιθικά ολοκληρωμένου στη ψηφίδα (μετρήσεις έντασης φωτός, πλήρως ολοκληρωμένη ψηφίδα), η οποία προσφέρει το μικρότερο δυνατό μέγεθος και κόστος, ή μέσω ενός εξωτερικού φασματόμετρου (μετρήσεις φασματικών αλλαγών, ημι-ολοκληρωμένη ψηφίδα), η οποία αντισταθμίζει την αύξηση στο κόστος και στο μέγεθος με βελτιωμένη αναλυτική απόδοση. Οι αναλυτικές δυνατότητες της συσκευής PYTHIA αποδείχθηκαν μέσω της ανίχνευσης δεικτών που σχετίζονται με τη διάγνωση/πρόγνωση τριών ασθενειών: α) του καρκίνου του προστάτη, β) της πολλαπλής ενδοκρινούς νεοπλασίας τύπου 2 (MEN2) και γ) της αμφιβληστροειδοπάθειας (Retinitis Pigmentosa). Για τον καρκίνο του προστάτη, ανιχνεύθηκαν το ολικό και το ελεύθερο κλάσμα του ειδικού προστατικού αντιγόνου (PSA) σε δείγματα ανθρώπινου ορού. Για την MEN2 και την Retinitis Pigmentosa επιλέχθηκε μια ομάδα μεταλλάξεων DNA. Για να επιτύχει τους στόχους της, το έργο PYTHIA συγκέντρωσε ερευνητικές ομάδες με συμπληρωματικές δεξιότητες στην κατασκευή και την βιοενεργοποίηση οπτοηλεκτρονικών ψηφίδων (NCSR “Demokritos”, Ελλάδα), τη προσομοίωση και σχεδιασμό οπτικών αισθητήρων (PhoeniX BV, Ολλανδία), την κατασκευή ψηφίδων οπτικών αισθητήρων (LioniX BV, Ολλανδία), την ενσωμάτωση μικρορευστομηχανικών κυψελίδων με τις βιοψηφίδες (Jobst Technologies, Γερμανία), τον χαρακτηρισμό της επιφάνειας των αισθητήρων (Jagellonian University, Πολωνία), την ανάπτυξη του ηλεκτρονικού συστήματος ανάγνωσης του σήματος (VTT, Φινλανδία) και την κλινικη αξιολόγηση του συστήματος (Biogenomica SA, Ελλάδα, και University College London, Ηνωμένο Βασίλειο).
Τα επιστημονικά και τεχνικά επιτεύγματα του έργου PYTHIA συνοψίζονται στα ακόλουθα:
α) Μια νέα αρχή ανίχνευσης που δεν απαιτεί τη χρήση ιχνηθετών, αυτή της συμβολομετρίας Mach-Zehnder ευρέος φάσματος (BB-MZI), προτάθηκε και δείχθηκε ότι μπορεί να επιλύσει τα ζητήματα της συμβολομετρίας MZI μονού μήκους κύματος, δηλαδή της εξασθένησης του σήματος και της ασάφειας φάσης.
β) Η μονολιθική ενσωμάτωση του οπτικοηλεκτρονικού μεταλλάκτη BB-MZI με όλα τα οπτικά εξαρτήματα σε μία ψηφίδα εξάλειψε την ανάγκη εξωτερικών οπτικών εξαρτημάτων (πηγή φωτός, φωτοανιχνευτής) που καθιστούν δύσκολη την ανάπτυξη φορητών συσκευών με βάση οπτικούς βιοαισθητήρες.
γ) Κάθε ψηφίδα φιλοξενεί δέκα BB-MZIs μαζί με τις αντίστοιχες πηγές φωτός σε ένα εμβαδόν μικρότερο από 40 mm2 επιτρέποντας τον ταυτρόχρονο προσδιορισμό έως και 10 αναλυτών μετά από κατάλληλη βιοενεργοποίηση καθενός από τα 10 BB-MZI μιας ψηφίδας.
δ) Αναπτύχθηκε μια διαδικασία για την συναρμογή των βιονεργοποοιημένων ψηφίδων με τις μικρορευστομηχανικές κυψελίδες σε επίπεδο δισκιδίου πυριτίου διευκολύνοντας τη μαζική παραγωγή τους .
ε) Η ευαισθησία ανίχνευσης των αισθητήρων PYTHIA αξιολογήθηκε ως προς την ανίχνευση μεταβολών του δείκτη διάθλασης και αποδείχθηκε εφάμμιλη με άλλες τεχνικές οπτικής ανίχνευσης που δεν χρησιμοποιούν ιχνηθέτες.
στ) Χρησιμοποιώντας ψηφίδες PYTHIA τροποποιημένες με ειδικά αντισώματα επιτεύχθηκε η ταυτόχρονη ανίχνευση δύο δεικτών του καρκίνου του προστάτη στον ανθρώπινο ορό, δηλαδή του ολικού και του ελεύθερου PSA, με ευαισθησία ανίχνευσης συγκρίσιμη με εκείνη που ελήφθη με ενζυμικούς ανοσοπροσδιορισμούς σε φρεάτια μικροτιτλοδότησης.
ζ) Δείχθηκε η ανίχνευση μιας ομάδας μεταλλάξεων που σχετίζονται με τη διάγνωση/πρόγνωση της πολλαπλής ενδοκρινικής νεοπλασίας τύπου 2 (MEN2) ή της αμφιβληστροειδίτιδας Pigmentosa με ψηφίδες PYTHIA οι οποίες είχαν τροποποιηθεί με ολιγονουκλεοτίδια και επιτεύχθηκε καλή διάκριση μεταξύ ατόμων άγριου τύπου και ετεροζυγώτων με μεταλλάξεις.
Προηγούμενη Σελίδα