Autor: Monica Heck

Članak na engleskome jeziku možete pročitati ovdje

Biosenzori se sve više koriste svuda – od medicine do praćenja stanja okoliša – a neki IEC standardi za ovo brzorastuće područje već postoje.

Doba biodigitalne konvergencije stiglo je dva desetljeća nakon što je prvi put predviđeno, a spajanje biologije i digitalne tehnologije ubrzava se zahvaljujući genomici, razvoju vještačke inteligencije (AI) i razvoju kvantno utemeljene enkripcije.

Danas možemo čuvati informacije u našem DNA digitalnim putem. Tehnologija ugrađena u ljudski mozak može pomoći osobama s teškim povredama kralješnične moždine da ponovo hodaju i uskoro bi mogla omogućiti povratak vida onima koji su ga izgubili. U međuvremenu, pojavljuju se biosenzori svih vrsta koji pomažu čovječanstvu da se bori protiv bolesti i brojnih ekoloških izazova.

Biosenzori postoje već desetljećima. To su uređaji koji mogu „detektirati prisustvo ili koncentraciju biološkog analita, kao što je biomolekul, biološka struktura ili mikroorganizam“, a neki od najpoznatijih primjera uključuju testove lateralnog toka, poznate i kao brzi testovi, poput kućnih testova za trudnoću i kontinuiranih mjerača glukoze za upravljanje dijabetesom.

Biosenzori na mjestu liječenja – razvijeno tržište

Biosenzori su se čvrsto pozicionirali u medicinskom sektoru za dijagnostiku na mjestu liječenja, odnosno njege (POCT) i brzu dijagnostiku. Proizvodnja ove vrste uređaja naglo je porasla tijekom pandemije COVID-19, kada su se komercijalizirali i biosenzori utemeljeni na genomici pomoću DNA sekvenciranja, u kombinaciji s PCR testovima utemeljenim na enzimatskoj replikaciji DNA.

Prema globalnom izvješću koje je objavio SNS Insider, očekuje se da do 2032. godine globalno tržište dijagnostike na mjestu njege dostigne iznos od 91,47 milijardi američkih dolara, dok bi tržište biosenzora na mjestu njege moglo porasti na 29,5 milijardi dolara, zahvaljujući starenju populacije i sjedilačkom načinu života u razvijenim zemljama, rastu populacije u zemljama u razvoju i epidemijama izazvanim klimatskim promjenama.

Ove potrebe u zdravstvu pomjeraju dijagnostiku iz laboratorija izravno ka mjestu njege. Ipak, iako su biosenzorske tehnologije na mjestu njege dostigle zrelost, i dalje ih ograničava točnost očitavanja i osjetljivost i specifičnost njihovih biorеceptora. Kako biosenzori postaju sve manji, miniaturizacija bez gubitka laboratorijske kvalitete ostaje i dalje veliki izazov.

Novi pravci: in vivo biosenzori

Znanstvenici također istražuju potencijal in vivo, odnosno ugrađenih biosenzora, i njihove ograničenosti, uključujući odbacivanje od strane tijela, invazivne procedure i etična pitanja. Tim s Harvarda nedavno je predstavio novi premaz za implantabilne uređaje koji sprječava biofouling, odnosno obrastanje bakterijama, stanicama i drugim biotečnostima na površini senzora, čime se smanjuje rizik od neispravnosti i „odgovora stranog tijela“ ili odbacivanja.

Tim iz Pekinga nedavno je najavio razvoj epidermalne zakrpe za mjerenje serina, koja omogućava izravno uzorkovanje i in situ kvantifikaciju serina iz kože kako bi se pratio atopijski dermatitis, dok je težak zadatak praćenja razine kalija u realnom vremenu preuzela kanadska novoosnovana kompanija kako bi se bolje upravljalo kardiovaskularno-bubrežno-metaboličnim oboljenjima. U Sjedinjenim Američkim Državama u tijeku su istraživanja u vezi s biosenzorima utemeljenim na vještačkoj inteligenciji za praćenje mentalnog zdravlja.

Budućnost biosenzora

U Švicarskoj, proteomika – velika znanstvena oblast koja proučava proteine i njihove funkcije – sve više zaokuplja pozornost stručnjaka kao što je dr. Til Schlotter. „Analiza pojedinačnih molekula je budućnost biosenzora“, kaže Schlotter, suosnivač i izvršni ravnatelj novoosnovane kompanije koja se bavi inovacijama s velikim tehonološkim rizicima s ETH Instituta za tehnologiju iz Züricha. „Proteini su radne jedinice svakog biološkog sustava; sva komunikacija u vašem tijelu odvija se pomoću proteina, ali ih još uvijek nije moguće analizirati na razini pojedinačnih molekula. Naš je cilj da analizu pojedinačnih molekula uvedemo na tržište – što trenutačno nitko ne može.“ Ovo bi koristilo ne samo u razvoju lijekova, već i u analizi kontaminacije hrane, inženjeringu biljaka, pa čak i otkrićima izvan Zemlje.

Prema podatcima SNS-a, očekuje se da će ukupna vrijednost tržišta biosenzora do 2032. godine dostići iznos od 56,54 milijarde američkih dolara, a iako su mnoge primjene izvan oblasti zdravstva još u fazi istraživanja, one pokazuju veliki potencijal – posebice u oblasti detekcije kvalitete vode. Rizici od per- i polifluoroalkilnih supstancija (PFAS) u pijaćoj vodi sada su globalno priznati i rješavaju se razvojem genetski kodiranih biosenzora. Tim sa Sveučilišta u Qingdaou (Kina) također je razvio samonapajajući biosenzor s tri komponente koji može učiniti vodu sigurnom za piće u zemljama u razvoju.

Prenosivi biosenzori za detekciju ekološke DNA (eDNA) mogli bi doprinijeti očuvanju morskog svijeta uz pomoć praćenja zdravlja koralnih grebena, dok bi in vivo biosenzori mogli pratiti neuronsku aktivnost, poput sna, kod životinja u prirodnim uvjetima.

Mikrobni biosenzori, poput E. coli, također nude perspektivne mogućnosti. Biohemijski odgovor E. coli koristi se za detekciju prisustva teških metala u vodi, a istraživački tim iz Danske, Njemačke i Izraela nedavno je kreirao soj E. coli za uspјešnu detekciju cvjetanja fitoplanktona pomoću glikolata koji oni otpuštaju. Ovi mikrobni biosenzori također omogućavaju detekciju ključnih enzima uključenih u sintetičke puteve vezivanja CO₂, kao i puteve koji štede ugljik – što je presudno za bioproizvodnju na bazi jednog ugljika, navodi istraživač Enrico Orsi.

„Naši senzori omogućavaju testiranje enzima unutar stanice“, kaže Orsi. „Nije prvi put da se bakterije koriste kao biosenzori, ali mi se fokusiramo na posebnu vrstu biosenzora koja ne može rasti osim ako nije prisutna molekula od interesa.“

IEC standardi za biosenzore i njihov razvoj

Serija standarda IEC 60747-18 pruža referentne protokole za mjerenje u svakoj fazi pretvaranja biološkog signala u digitalnu informaciju. Omogućavanjem kalibracije i evaluacije mogućih odstupanja u svakoj fazi, ovi standardi imaju za cilj potporu širokoj primjeni visokopouzdanih i dosljednih biosenzora.

JongMuk Lee, ekspert za biosenzore u IEC-ovom tehničkom komitetu koji objavljuje standarde za senzore (IEC TC 47), i izvršni ravnatelj biotehnološke tvrtke SOL Inc, objašnjava da ova serija standarda definira evaluaciju i metode ispitivanja posebice za fotonske senzore bez leća (CPAS) bazirane na CMOS tehnologiji (komplementarni metalnooksidni poluvodiči), fokusirajući se na različite karakteristike performansi. CPAS senzori bez optičkih leća značajno se razlikuju od standardnih CMOS senzora koji se koriste u klasičnim kamerama i ključna su komponenta obećavajuće tehnologije visoke rezolucije pod nazivom Digitalni mikroskopski sustavi bez leća s inline holografijom (DIHM - lens-free digital inline holographic microscopy  systems). Ovi su sustavi idealni za analize bazirane na slikama i dijagnostiku na mjestu njege u sredinama s ograničenim resursima zahvaljujući svojoj prenosivosti i niskoj cijeni proizvodnje.

„Kod CPAS senzora bez leća, biološki uzorci se postavljaju izravno iznad niza piksela, ili biološke reakcije nastaju izravno na njemu“, objašnjava Lee. „Budući da dimenzije piksela mogu biti veće ili manje od bioloških ciljeva, poput stanica, bakterija, proteina ili DNA, od ključne je važnosti osigurati da senzor može pouzdano registrirati interakcije na razini pojedinačnih piksela.“

Prema njegovim riječima, TC 47 planira daljnje proširenje serije IEC 60747-18. „Kako biotehnološki eksperimenti i farmaceutska istraživanja u svemiru postaju sve češća, raste i potreba za evaluacijom performansi CPAS senzora u izvanzemaljskim uvjetima“, kaže on. „Već se razmatra izrada standarda za ovakve slučajeve uporabe.“

Imajući u vidu ključni značaj sigurnosti podataka u biomedicinskim i zdravstvenim aplikacijama, planira se integracija funkcija enkripcije, kao što je kvantno generiranje nasumičnih brojeva (QRNG ili QRBG), izravno u CPAS senzore. „Budući standardi mogli bi se odnositi i na uključivanje kriptografske logike, pa čak i AI modela izravno u hardver senzora“, zaključuje Lee.