Аутор: Моника Хек (Monika Heck)

Чланак на енглеском језику можете прочитати овдје

Биосензори се све више користе свуда – од медицине до праћења стања животне средине – а неки IEC стандарди за ово брзорастуће подручје већ постоје.

Доба биодигиталне конвергенције је стигло двије деценије након што је први пут предвиђено, а спајање биологије и дигиталне технологије убрзава се захваљујући геномици, развоју вјештачке интелигенције (AI) и развоју квантно засноване енкрипције.

Данас можемо да чувамо информације у нашем ДНК дигиталним путем. Технологија уграђена у људски мозак може да помогне особама с тешким повредама кичмене мождине да поново ходају и ускоро би могла да омогући повратак вида онима који су га изгубили. У међувремену, појављују се биосензори свих врста који помажу човјечанству да се бори против болести и бројних еколошких изазова.

Биосензори постоје већ деценијама. То су уређаји који могу да „детектују присуство или концентрацију биолошког аналита, као што је биомолекул, биолошка структура или микроорганизам“, а неки од најпознатијих примјера укључују тестове латералног тока, познате и као брзи тестови, попут кућних тестова за трудноћу и континуираних мјерача глукозе за управљање дијабетесом.

Биосензори на мјесту лијечења – развијено тржиште

Биосензори су се чврсто позиционирали у медицинском сектору за дијагностику на мјесту лијечења, односно његе (POCT) и брзу дијагностику. Производња ове врсте уређаја нагло је порасла током пандемије Ковид 19, када су се комерцијализовали и биосензори засновани на геномици помоћу ДНК секвенцирања, у комбинацији с PCR тестовима заснованим на ензиматској репликацији ДНК.

Према глобалном извјештају који је објавио SNS Insider, очекује се да до 2032. године глобално тржиште дијагностике на мјесту његе достигне износ од 91,47 милијарди америчких долара, док би тржиште биосензора на мјесту његе могло да порасте на 29,5 милијарди долара, захваљујући старењу популације и сједилачком начину живота у развијеним земљама, расту популације у земљама у развоју и епидемијама изазваним климатским промјенама.

Ове потребе у здравству помјерају дијагностику из лабораторија директно ка мјесту његе. Ипак, иако су биосензорске технологије на мјесту његе достигле зрелост, и даље их ограничава тачност очитавања и осјетљивост и специфичност њихових биорецептора. Како биосензори постају све мањи, миниатуризација без губитка лабораторијског квалитета остаје и даље велики изазов.

Нови правци: in vivo биосензори

Научници такође истражују потенцијал in vivo, односно уграђених биосензора, и њихове ограничености, укључујући одбацивање од стране тијела, инвазивне процедуре и етичка питања. Тим с Харварда недавно је представио нови премаз за имплантабилне уређаје који спречава biofouling, односно обрастање бактеријама, ћелијама и другим биотечностима на површини сензора, чиме се смањује ризик од неисправности и „одговора страног тијела“ или одбацивања.

Тим из Пекинга недавно је најавио развој епидермалне закрпе за мјерење серина, која омогућава директно узорковање и in situ квантификацију серина из коже да би се пратио атопијски дерматитис, док је тежак задатак праћења нивоа калијума у реалном времену преузела канадска новооснована компанија да би се боље управљало кардиоваскуларно-бубрежно-метаболичким обољењима. У Сједињеним Америчким Државама у току су истраживања у вези са биосензорима заснованим на вјештачкој интелигенцији за праћење менталног здравља.

Будућност биосензора

У Швајцарској, протеомика – велика научна област која проучава протеине и њихове функције – све више заокупља пажњу стручњака као што је др Тил Шлотер (Til Schlotter). „Анализа појединачних молекула је будућност биосензора“, каже Шлотер, суоснивач и извршни директор новоосноване компаније која се бави иновацијама с великим техонолошким ризицима с ETH Института за технологију из Цириха. „Протеини су радне јединице сваког биолошког система; сва комуникација у вашем тијелу одвија се помоћу протеина, али их још увијек није могуће анализирати на нивоу појединачних молекула. Наш циљ је да анализу појединачних молекула уведемо на тржиште – што тренутно нико не може.“ Ово би користило не само у развоју лијекова, већ и у анализи контаминације хране, инжењерингу биљака, па чак и открићима ван Земље.

Према подацима SNS-а, очекује се да ће укупна вриједност тржишта биосензора до 2032. године достићи износ од 56,54 милијарде америчких долара, а иако су многе примјене ван области здравства још у фази истраживања, оне показују велики потенцијал – посебно у области детекције квалитета воде. Ризици од пер- и полифлуороалкилних супстанци (PFAS) у пијаћој води сада су глобално признати и рјешавају се развојем генетски кодираних биосензора. Тим с Универзитета у Ћингдау (Кина) такође је развио самонапајајући биосензор с три компоненте који може да учини воду безбједном за пиће у земљама у развоју.

Преносиви биосензори за детекцију еколошке ДНК (еDNA) могли би да допринесу очувању морског свијета уз помоћ праћења здравља коралних гребена, док би in vivo биосензори могли да прате неуронску активност, попут сна, код животиња у природним условима.

Микробни биосензори, попут E. coli, такође нуде перспективне могућности. Биохемијски одговор E. coli користи се за детекцију присуства тешких метала у води, а истраживачки тим из Данске, Њемачке и Израела недавно је креирао сој E. coli за успјешну детекцију цвјетања фитопланктона помоћу гликолата који они отпуштају. Ови микробни биосензори такође омогућавају детекцију кључних ензима укључених у синтетичке путеве везивања CO₂, као и путеве који штеде угљеник – што је пресудно за биопроизводњу на бази једног угљеника, наводи истраживач Енрико Орси (Enrico Orsi).

„Наши сензори омогућавају тестирање ензима унутар ћелије“, каже Орси. „Није први пут да се бактерије користе као биосензори, али ми се фокусирамо на посебну врсту биосензора која не може да расте осим ако није присутан молекул од интереса.“

IEC стандарди за биосензоре и њихов развој

Серија стандарда IEC 60747-18 пружа референтне протоколе за мјерење у свакој фази претварања биолошког сигнала у дигиталну информацију. Омогућавањем калибрације и евалуације могућих одступања у свакој фази, ови стандарди имају за циљ подршку широкој примјени високопоузданих и досљедних биосензора.

ЏонгМук Ли (JongMuk Lee), експерт за биосензоре у IEC-овом техничком комитету који објављује стандарде за сензоре (IEC TC 47), и извршни директор биотехнолошке фирме SOL Inc, објашњава да ова серија стандарда дефинише евалуацију и методе испитивања посебно за фотонске сензоре без сочива (CPAS) базиране на CMOS технологији (комплементарни металнооксидни полупроводници), фокусирајући се на различите карактеристике перформанси. CPAS сензори без оптичких сочива се значајно разликују од стандардних CMOS сензора који се користе у класичним камерама и кључна су компонента обећавајуће технологије високе резолуције под називом Дигитални микроскопски системи без сочива с инлајн холографијом (DIHM - lens-free digital inline holographic microscopy  systems). Ови системи су идеални за анализе базиране на сликама и дијагностику на мјесту његе у срединама с ограниченим ресурсима захваљујући својој преносивости и ниској цијени производње.

„Код CPAS сензора без сочива, биолошки узорци се постављају директно изнад низа пиксела, или биолошке реакције настају директно на њему“, објашњава Ли. „С обзиром на то да димензије пиксела могу бити веће или мање од биолошких циљева, попут ћелија, бактерија, протеина или ДНК, од кључне је важности да се обезбиједи да сензор може поуздано да региструје интеракције на нивоу појединачних пиксела.“

Према његовим ријечима, TC 47 планира даљне проширење серије IEC 60747-18. „Како биотехнолошки експерименти и фармацеутска истраживања у свемиру постају све чешћа, расте и потреба за евалуацијом перформанси CPAS сензора у ванземаљским условима“, каже он. „Већ се разматра израда стандарда за овакве случајеве употребе.“

Имајући у виду кључни значај безбједности података у биомедицинским и здравственим апликацијама, планира се интеграција функција енкрипције, као што је квантно генерисање насумичних бројева (QRNG или QRBG), директно у CPAS сензоре. „Будући стандарди могли би да се односе и на укључивање криптографске логике, па чак и AI модела директно у хардвер сензора“, закључује Ли.