Ιατροδιαγνωστικές φορητές συσκευές βασισμένες σε καινοτόμους βιοαισθητήρες αποκρινόμενων πολυμερικών μεμβρανών και μεταλλάκτες χαμηλού κόστους για χρήση στο σημείο περίθαλψης
Authors: Τζιάννη Ελένη 
Published: February 2023

Η ανάπτυξη ιατροδιαγνωστικών συσκευών για εφαρμογές στο σημείο περίθαλψης (Point-of-Care, PoC) αποτελεί βασική προϋπόθεση για τη δημιουργία αποκεντρωμένων συστημάτων υγειονομικής περίθαλψης. Ωστόσο, το αυξημένο κόστος και οι πολύπλοκες διεργασίες που απαιτούνται για τη μετατροπή των ήδη υπαρχόντων τεχνολογιών σε συσκευές κατάλληλες για αναλύσεις πεδίου δυσχεραίνουν τη διαδικασία αυτή. Στην πρώτη ενότητα της διατριβής, περιγράφεται η ανάπτυξη μιας φορητής ιατροδιαγνωστικής συσκευής, την οποία ονομάζουμε BioPoC (από τα αρχικά των λέξεων Biosensor και Point-of-Care) που βασίζεται σε βιοαισθητήρες αποκρινόμενων πολυμερικών μεμβρανών και χαμηλού κόστους μεταλλάκτες μέτρησης χρόνου και ηλεκτρικής αντίστασης. Οι βιοαισθητήρες κατασκευάστηκαν με ενζυμικά τροποποιημένες μεμβράνες συμπολυμερούς με απόκριση στο pH. Η λειτουργία τους βασίζεται στη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται ώστε η αρχικά άπειρη ηλεκτρική αντίσταση μεταξύ δύο αγώγιμων ταινιών που διαχωρίζονται από τη μεμβράνη, να λάβει μια πεπερασμένη τιμή, ως αποτέλεσμα της εκλεκτικής αποδόμησης της μεμβράνης από τον αναλύτη στόχο και την επαγόμενη πλήρωση ενός κάθετου καναλιού από το υγρό δείγμα, με την οποία επιτυγχάνεται η ηλεκτρική επικοινωνία μεταξύ των δύο αγώγιμων ταινιών. Ο χρόνος αυτός είναι ανάλογος της συγκέντρωσης του αναλύτη. Η συσκευή BioPoC χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ουρίας σε μη αραιωμένα ούρα χωρίς να προηγηθεί κάποιο στάδιο προκατεργασίας των δειγμάτων. Με την κατάλληλη επιλογή του πάχους της μεμβράνης και της συγκέντρωσης του πολυμερούς από το οποίο κατασκευάστηκε η μεμβράνη, η λειτουργία της συσκευής προσαρμόστηκε στο εύρος συγκεντρώσεων του αναλύτη στα ούρα. Τα αποτελέσματα έδειξαν εξαιρετική εκλεκτικότητα στα διάφορα συστατικά της μήτρας του δείγματος και πολύ καλή συσχέτιση με τα αποτελέσματα της πρότυπης μεθόδου αναφοράς. Στη δεύτερη ενότητα προτείνεται μία νέα συσκευή και ένας νέου τύπου βιοαισθητήρας, σε μορφή κάρτας SIM, που βασίζεται σε ένα κάθετο κανάλι ροής σε χαρτί τροποποιημένο με συμπολυμερή αποκρινόμενα στο pH. Ο βιοαισθητήρας ενσωματώθηκε σε μία συσκευή που έχει τη δυνατότητα απομακρυσμένης σύνδεσης με έξυπνα κινητά, και χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της κρεατινίνης στα ούρα. Αρχικά, ένα κάθετο μικρορευστομηχανικό κανάλι δημιουργήθηκε με την τεχνική εκτύπωσης κεριού σε ένα χρωματογραφικό χαρτί. Η υδρόφιλη επιφάνεια καλύφθηκε με το τυχαίο συμπολυμερές πολυ(μεθακρυλικός μεθυλεστέρας)/πολυ(μεθακρυλικό οξύ) (PMMA-co-PMAA), ένα συμπολυμερές αποκρινόμενο στο pH. Για τον προσδιορισμό της κρεατινίνης, στην επιφάνεια του συμπολυμερούς ακινητοποιήθηκε το ένζυμο δεϊμινάση της κρεατινίνης (creatinine deiminase, CD). Τα αποτελέσματα έδειξαν, αφενός, μηδενική ροή του δείγματος ούρων στο τροποποιημένο με το PMMA-co-PMAA κάθετο κανάλι ροής, απουσία του ενζύμου CD (αυτό αποδεικνύει τη μεγάλη εκλεκτικότητα της μεθόδου έναντι των συστατικών της μήτρας του δείγματος), και αφετέρου, τη ροή του δείγματος στο κανάλι μετά την αποδόμηση του συμπολυμερούς που προκαλείται από την ενζυμικά παραγόμενη αμμωνία κατά την εκλεκτική υδρόλυση της κρεατινίνης παρουσία του ενζύμου. Για την κατασκευή του βιοαισθητήρα το τροποποιημένο με CD/PMMA-co-PMAA χαρτί συνδυάστηκε με τρεις αγώγιμες ταινίες σε μία συστοιχία που επιτρέπει την αυτόματη έναρξη και παύση της λειτουργίας του χρονομέτρου, κατά την προσθήκη του δείγματος και στο τέλος της μέτρησης, αντίστοιχα. Ο χρόνος αυτός αντιστοιχεί στο χρόνο αποδόμησης του συμπολυμερούς και είναι ανάλογος της συγκέντρωσης της κρεατινίνης. Το κύκλωμα αυτόματης έναρξης και παύσης της λειτουργίας του χρονομέτρου βασίζεται σε μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης μεταξύ των τριών αγώγιμων ταινιών. Ο βιοαισθητήρας περιλαμβάνει ένα εσωτερικό μικροφρεάτιο για το δείγμα και ασύρματη επικοινωνία μέσω ενός μικροεπεξεργαστή, με Bluetooth®, που ελέγχει δυο κυκλώματα μέτρησης χρόνου και αντίστασης. Χρησιμοποιώντας νέα συμπολυμερή PMΜA-co-PMAA σε διάφορα μέσα μοριακά βάρη κατά αριθμό (Μ̅n) και κλάσματα όγκου (f) μεταξύ των δυο μονομερών, τα οποία αποκρίνονται στο pH, επιτυγχάνονται ρυθμιζόμενες ιδιότητες αποδόμησης. Με την επιλογή του κατάλληλου συμπολυμερούς (f, Μ̅n και συγκέντρωση του συμπολυμερούς) το εύρος ανίχνευσης ρυθμίστηκε στα 3-30 mM κρεατινίνης, το οποίο καλύπτει το φυσιολογικό εύρος της κρεατινίνης στα ούρα. Η συσκευή χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για τον προσδιορισμό της κρεατινίνης στα ούρα.Στην τελευταία ενότητα περιγράφεται η ανάπτυξη ενός αισθητήρα για την ανίχνευση του Ελικοβακτηριδίου του πυλωρού σε βιοπτικά δείγματα στομάχου, εφαρμόζοντας την τεχνολογία BioPoC. Αξιοποιώντας το ένζυμο ουρεάση που παράγεται από το βακτήριο, αναπτύχθηκε ένας αισθητήρας απόκρισης στις μεταβολές του pH, παρουσία διαλύματος ουρίας. Πραγματοποιήθηκε μελέτη διαφόρων συμπολυμερών απόκρισης στο pH, για την ανάπτυξη ενός ευαίσθητου αισθητήρα που θα ανιχνεύει το H. Pylori, ακόμη και σε πρώιμα στάδια της μόλυνσης. Η ανάλυση των βιοπτικών δειγμάτων πραγματοποιήθηκε στο σημείο εξέτασης του ασθενή, παρέχοντας τα αποτελέσματα σε χρόνο μικρότερο από 30 λεπτά. Τα αποτελέσματα ήταν συγκρίσιμα με αυτά που λήφθηκαν με τις μεθόδους αναφοράς και βρέθηκε ότι ο αισθητήρας BioPoC έχει ειδικότητα 92% και ευαισθησία 83%.