Článek
Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.
Rychlý jako antigenní test, spolehlivý jako PCR metoda. To je biosenzor českých vědců z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR na detekci koronaviru. Před pár dny na něj tým upozornil studií v prestižním zahraničním časopise ACS Applied Materials and Interfaces.
Na výzkumu metody, která se opírá o měření jedinečného biočipu, spolupracovali fyzikové s týmy Biologického centra Akademie věd ČR a Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích.
„Prošlo to recenzním řízením, vědecká komunita uznala, že naše hypotézy jsou dobré,“ řekla Seznam Zprávám vedoucí výzkumu Hana Lísalová. Ve studii se podle ní podařilo prokázat funkčnost „hlavního triku v detekci“. „Ten spočívá v tom, že kombinujeme výhody antigenního a PCR testu, což se ukázalo jako vysoce efektivní. Detekujeme zároveň N-protein i virovou RNA, se kterou tento protein tvoří komplexy, antigenní a PCR testy typicky detekují jen jednu ze složek,“ vysvětlila vědkyně.
Jak probíhala studie?
- Vědci studii prováděli na sérii laboratorních vzorků, osmi klinických vzorků přímo od pacientů a několika stovek vzorků z prostředků pražské hromadné dopravy, přičemž z této rozsáhlé série měření vznikne ještě navazující studie.
- Výzkum probíhal zaslepeným způsobem, což znamená, že se testovalo biočipem a pro ověření spolehlivosti PCR testem, přičemž tým předem výsledky PCR testů neznal.
- Výsledkem byla shoda obou metod na všech vzorcích. Spolehlivost se podle vědců tedy ukázala jako „velmi dobrá“.
„My jsme tu technologii ukazovali již dříve. Pro vědeckou komunitu to ale tolik neznamená, dokud se neukáže článek, který prošel recenzním řízením. Celou dobu, co Hanka Lísalová systém vyvíjí, byla bombardována otázkami, kdy konečně ukážeme vědecké důkazy, že funguje, a výsledky nejsou nafouknuté. Proto tu studii bereme jako záchytný bod a všichni jsme z ní nadšení,“ dodal ke slovům své kolegyně z Fyzikálního ústavu Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky, v rámci níž výzkum probíhá.
Kdo je Hana Lísalová
Hana Lísalová
- Pracuje na Fyzikálním ústavu AV ČR jako vedoucí Laboratoře funkčních biorozhraní. Ve vývoji biočipu zastává funkci vedoucí celého výzkumu.
- Dosáhla řady mezinárodních úspěchů a získala respekt vědecké komunity v celosvětovém měřítku. Je autorkou několika desítek odborných článků ve špičkových odborných časopisech.
- Vědecké zkušenosti sbírala v Česku i v zahraničí – tématem biosenzorů se začala zabývat při postdoktorandském studiu na University of Washington.
Stroj na testy bude vypadat jako kávovar
Tým už dřív uvedl, že v praxi by měly biočipy fungovat v rámci robotického systému, který by měl vypadat podobně jako automat na kávu, do něhož se budou vkládat kelímky s tekutinou, kterou člověk vykloktá. Robot pak z kelímku nasaje tekutinu a pošle ji do biočipu, který ji během několika minut vyhodnotí. Biočipů bude ve stroji víc a v případě nutnosti se budou měnit „jako cartridge v tiskárně“.
Kromě rychlosti a přesnosti mezi výhody biočipu patří i to, že se soustředí na detekci N-proteinu, na kterém zatím nedochází ke změnám při mutacích viru, takže nehrozí, že by například vysoce zmutovanou variantu viru neodhalil.
Alexandr Dejneka
Alexandr Dejneka
- Je na Fyzikálním ústavu vedoucím Sekce optiky a oddělení optických a biofyzikálních systémů.
- Mezinárodní zkušenosti sbíral na Technické univerzitě v Drážďanech.
- Aktuálně se zabývá rozvojem nových fyzikálních metod pro použití v průmyslu, biofyzice a medicíně. V současné době je také 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.
Jak to funguje?
Fungování biočipu se dá zjednodušeně vysvětlit následovně. Klíčovou funkci hraje v první řadě senzor v podobě krystalu, který vibruje určitou frekvencí. Pokud se na něj naváže hledaná látka, způsobí to odezvu v podobě změny frekvence. K ní dojde jednoduše proto, že se krystal zatíží navázanou látkou.
Velkou výzvu v tomto procesu podle vědců představovalo zajistit vázání konkrétní látky. K tomuto účelu slouží povrch čipu v podobě polymerního nanokartáče, tedy tenounké vrstvy speciálního polymeru, který odpuzuje všechny ostatní látky a váže jen tu, po které se pátrá.
Na fotografii vidíte několik biočipů připravených k vložení do zařízení.
Biočip je možná jen začátek
A v tom, že se vědcům podařilo vyvinout právě takovýto povrch, spočívá podle Alexandra Dejneky jádro celého projektu. Biočip je totiž podle něj zatím jen „malou“ ukázkou o hodně širších možností využití tohoto povrchu.
„Jde o povrch, který na začátku odpuzuje úplně všechno. Kdybyste z něj měl třeba košili, budete ji mít navždy čistou. Pak se ale upraví tak, že zachytí jen to, co my hledáme a stává se z něj senzor,“ řekl Dejneka.
Lísalová k tomu dodala, že odpudivé materiály sice nejsou ve světě nic nového, ale neobvyklé je, aby nějaký dokázal jeden vybraný prvek vázat a zároveň všechny ostatní odpuzovat. „To umí strašně málo povrchů na světě a my jsme na to podali i přihlášku na mezinárodní patent. Je v tom hlavní podstata výzkumu, detekce nemocí je jen jedním příkladem využití tohoto povrchu,“ řekla Lísalová.
Na otázku, jaké fyzikální síly vázání a odpuzování povrchu způsobují, Lísalová odpověděla, že nejdůležitější je elektrostatika a udržování neutrálního náboje. Další částí jsou podle ní hydrofilní interakce, což zjednodušeně řečeno znamená práci se zvýšenou přitažlivostí částic ve vodnatém prostředí.
Komerční společnost už pracuje na prototypu
Na prototypu robotického systému s biočipy pracuje průmyslový partner projektu česká společnost CARDAM. Cílem podle vědců je, aby byl prototyp funkční a zároveň splňoval současnou legislativu a mohl jít do provozu.
Plánované datum, kdy by se tak mělo stát, vědecká dvojice neuvedla. Na otázku, o jak drahou technologii se bude jednat, odpověděli alespoň rámcově. „Konkrétní číslo nemůžeme uvést, ale je samozřejmé, že když do toho ten průmyslový partner šel, tak si spočítal, že tam je nějaký potenciál konkurenceschopnosti (proti ostatním dostupným možnostem testování na covid-19 *pozn. red.),“ uvedla Lísalová.
Z finanční stránky je velkou výhodou biočipů fakt, že ho lze používat opakovaně. „V případě, že není zachycena hledaná látka, můžeme ho díky tomu odolnému povrchu používat určitě v rámci několika desítek opakování,“ uvedla Lísalová. A tohle je podle ní hlavní důvod, proč ideální uplatnění v praxi vidí v preventivním testování například ve fabrikách, kde se nepředpokládá vysoké procento pozitivních. „Nejlepší poměr cena výkon bude v momentě, kdy epidemie ustupuje a většina testovaných lidí bude negativních,“ dodala vědkyně.
Hlavní konkurencí biočipu jsou bezpochyby PCR a antigenní testy. Tým si ani po rozsáhlé rešerši není vědom toho, že by někde na světě vzniklo nebo vznikalo zařízení podobné tomu jejich. „Nemůžu říct, že se něco takového ve světě nedělá, firmy pracují tajně a my do toho nemůžeme vidět. Ale když jsme dělali rešerši vědeckých prací, na nic podobného jsme nenarazili,“ řekla Lísalová.
Jaké budou další aplikace?
Odpovědět na otázku, co všechno může nakonec z technologie opírající se především o speciální polymerový materiál vzejít, se dvojice vědců zdráhala. Měla k tomu ale dobré důvody.
„Je to trošku zákeřná otázka, protože narovinu je to tak, že nás další aplikace určitě napadají, máme několik směrů primárně v oblasti biotechnologie, nicméně já když to prozradím, tak už to nemůžeme patentovat,“ vysvětlil Dejneka.
Tým podle něj už provedl některé experimenty a další aplikace „extrémně zajímavého povrchu ve spoustě dalších oblastí“ aktuálně řeší. Mluvit o aplikaci, když ji ještě nemá chráněnou, ale nemůže.
