Autor: Monica Heck

Članak na engleskom 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 je stiglo dvije decenije nakon što je prvi put predviđeno, a spajanje biologije i digitalne tehnologije ubrzava se zahvaljujući genomici, razvoju vještačke inteligencije (AI) i razvoju kvantno zasnovane enkripcije.

Danas možemo čuvati informacije u našem DNK digitalnim putem. Tehnologija ugrađena u ljudski mozak može pomoći osobama s teškim povredama kičmene moždine da ponovo hodaju i uskoro bi mogla da omogući 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 decenijama. To su uređaji koji mogu da „detektuju 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 tokom pandemije COVID-19, kada su se komercijalizirali i biosenzori zasnovani na genomici pomoću DNK sekvenciranja, u kombinaciji s PCR testovima zasnovanim na enzimatskoj replikaciji DNK.

Prema globalnom izvještaju koji 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 direktno ka mjestu njege. Ipak, iako su biosenzorske tehnologije na mjestu njege dostigle zrelost, i dalje ih ograničava tačnost očitavanja i osjetljivost i specifičnost njihovih biorеceptora. Kako biosenzori postaju sve manji, miniaturizacija bez gubitka laboratorijskog kvaliteta ostaje i dalje veliki izazov.

Novi pravci: in vivo biosenzori

Naučnici također istražuju potencijal in vivo, odnosno ugrađenih biosenzora, i njihove ograničenosti, uključujući odbacivanje od strane tijela, invazivne procedure i etička pitanja. Tim s Harvarda nedavno je predstavio novi premaz za implantabilne uređaje koji sprečava biofouling, odnosno obrastanje bakterijama, ćelijama 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 direktno uzorkovanje i in situ kvantifikaciju serina iz kože kako bi se pratio atopijski dermatitis, dok je težak zadatak praćenja nivoa kalija u realnom vremenu preuzela kanadska novoosnovana kompanija kako bi se bolje upravljalo kardiovaskularno-bubrežno-metaboličkim oboljenjima. U Sjedinjenim Američkim Državama u toku su istraživanja u vezi sa biosenzorima zasnovanim na vještačkoj inteligenciji za praćenje mentalnog zdravlja.

Budućnost biosenzora

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

Prema podacima 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 – posebno u oblasti detekcije kvaliteta vode. Rizici od per- i polifluoroalkilnih supstanci (PFAS) u pijaćoj vodi sada su globalno priznati i rješavaju se razvojem genetski kodiranih biosenzora. Tim s Univerziteta 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 DNK (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 uslovima.

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 ugljenik – što je presudno za bioproizvodnju na bazi jednog ugljenika, navodi istraživač Enrico Orsi.

„Naši senzori omogućavaju testiranje enzima unutar ćelije“, kaže Orsi. „Nije prvi put da se bakterije koriste kao biosenzori, ali mi se fokusiramo na posebnu vrstu biosenzora koja ne može da raste osim ako nije prisutan molekul 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 podršku 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 direktor biotehnološke firme SOL Inc, objašnjava da ova serija standarda definira evaluaciju i metode ispitivanja posebno za fotonske senzore bez sočiva (CPAS) bazirane na CMOS tehnologiji (komplementarni metalnooksidni poluprovodnici), fokusirajući se na različite karakteristike performansi. CPAS senzori bez optičkih sočiva se značajno razlikuju od standardnih CMOS senzora koji se koriste u klasičnim kamerama i ključna su komponenta obećavajuće tehnologije visoke rezolucije pod nazivom Digitalni mikroskopski sistemi bez sočiva s inline holografijom (DIHM - lens-free digital inline holographic microscopy  systems). Ovi sistemi su 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 sočiva, biološki uzorci se postavljaju direktno iznad niza piksela, ili biološke reakcije nastaju direktno na njemu“, objašnjava Lee. „S obzirom na to da dimenzije piksela mogu biti veće ili manje od bioloških ciljeva, poput ćelija, bakterija, proteina ili DNK, od ključne je važnosti da se osigura da senzor može pouzdano registrirati interakcije na nivou 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 vanzemaljskim uvjetima“, kaže on. „Već se razmatra izrada standarda za ovakve slučajeve upotrebe.“

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