Rýchle PCR testy stlačením tlačidla

Výskumníci vo Švajčiarsku z ETH Zürich Michele Gregorini a Philippe Bechtold vyvinuli zariadenie na PCR testovanie, ktoré možno ľahko použiť aj mimo laboratória – a dodanie výsledkov trvá menej ako 30 minút. Teraz dvaja mladí podnikatelia zameriavajú svoje úsilie na schválenie zariadenia na lekárske použitie.

Michele Gregorini pred piatimi rokmi prihlásil na doktorandský projekt a ocitol sa v tej istej kancelárii s prof. Wendelinom Starkom, na Katedre chémie a aplikovaných biologických vied. Stark navrhol, aby 26-ročný Gregorini, strojnícky inžinier z Milána, vyvinul zariadenie na PCR testovanie, ktoré by bolo rýchlejšie a jednoduchšie na používanie ako bežné modely.

Ako uviedol Gregonni: „V tom momente som ani nevedel, čo znamená PCR – nehovoriac o tom, ako táto metóda fungovala!“ Bol začiatok roka 2016 a práve sa vrátil z Austrálie, kde po ukončení štúdia na ETH Zürich strávil rok prácou pre start-up so solárnou energiou.

Dnes je Gregorini generálnym riaditeľom svojej vlastnej nedávno založenej spoločnosti – a PCR zariadenie, ktoré vyvinul vo svojom doktorandskom projekte, je ich charakteristickým produktom. Je to už takmer rok, čo založil ETH start-up diaxxo spolu s Philippom Bechtoldom, 26-ročným chemickým inžinierom z Luxemburska, ktorý sa tiež pridal k Starkovej výskumnej skupine, aby si urobil doktorát, ktorý je teraz v záverečnej fáze.

Cieľom týchto dvoch mladých výskumníkov je však urobiť viac, než len uviesť na trh nový medicínsky prístroj – dúfajú tiež, že zásadne zmenia spôsob, akým sa PCR testovanie v medicíne používa.

PCR test len za pár švajčiarskych frankov

PCR testy sú už dlho zlatým štandardom na diagnostikovanie infekčných chorôb, dokonca aj pred pandémiou koronavírusu. Aby sa presne určil patogén zodpovedný za infekciu dýchacích ciest, lekár odoberie výter z hrdla a odošle vzorku na analýzu do lekárskeho laboratória. Získanie výsledkov zvyčajne trvá niekoľko dní, kedy môžu potvrdiť, či pacient trpí chrípkou, zápalom pľúc alebo jednoduchým prechladnutím.

Gregorini a Bechtold boli odhodlaní tento proces uľahčiť a predovšetkým urýchliť. Predstavujú si budúcnosť, v ktorej zdravotnícky personál bude môcť vykonávať PCR testy priamo na mieste starostlivosti – a získať výsledky za menej ako 30 minút. To by umožnilo pacientom dostať liečbu, ktorú potrebujú, už pri prvom stretnutí.

Ako uviedol Gregorini: „Ušetrilo by to veľa času a bolo by to oveľa lacnejšie.“ Ich cieľom je, aby test stál len pár švajčiarskych frankov. Bechtold dodáva, že by to konečne otvorilo dvere PCR testovaniu v rozvojových krajinách, ktorým často chýbajú financie na vykonávanie laboratórnych analýz.

Testovacia kazeta veľkosti kávovej kapsuly

Zakladatelia start-upu pracovali na svojom PCR zariadení posledných päť rokov. Každý aspekt prvého prototypu vyvinuli sami, od krytu a elektroniky až po softvér a vymeniteľnú testovaciu kazetu, v ktorej prebieha biochemická reakcia. Táto kazeta je veľkosťou a tvarom podobná kávovej kapsule a ide o najvýznamnejšiu inováciu nového zariadenia.

Namiesto konvenčného spôsobu miešania PCR činidiel v plastovej skúmavke funguje diaxxo roztok jednoduchým napipetovaním kvapôčky vzorky pacienta priamo do jednej z jamiek v hliníkovej kazete. Keďže kov vedie teplo oveľa lepšie ako plast, nové zariadenie dokáže zohriať a ochladiť reaktanty podstatne rýchlejšie ako bežné zariadenia.

Je to dôležité, pretože replikácia genetického materiálu patogénu sa opiera o reakčné cykly pozostávajúce z viacerých krokov, ktoré sa vykonávajú pri rôznych teplotách v rozmedzí od 55 do 95 stupňov Celzia. Vykonanie jedného z týchto cyklov trvá v novom zariadení takmer 20 sekúnd, na rozdiel od dvoch a pol minúty v bežnom zariadení. Tým sa skráti čas potrebný na 45-cyklový PCR test z viac ako dvoch hodín na menej ako 20 minút, čo je podobný čas, ktorý je potrebný na vykonanie rýchleho antigénového testu.

Nové zariadenie tiež eliminuje potrebu starostlivého pipetovania viacerých PCR činidiel do nádobky na vzorku. Namiesto toho je riešením diaxxo dodať reagencie ako súčasť balenia – lyofilizované a uložené na dne každej jamky. To má tiež výhodu v tom, že testovacie súpravy na rôzne patogény možno skladovať pri izbovej teplote až šesť mesiacov.

Pandémia dáva projektu impulz

Gregorini a Bechtold sa pri vývoji spoľahlivej metódy stretli s mnohými problémami. Bechtold strávil dlhý čas zdokonaľovaním procesu sušenia činidiel, ktorý zaisťuje, že sa správne zmiešajú so vzorkou, keď príde čas. Ako uviedol a spomína, aké ťažké bolo dostať reagencie dostatočne pevne do nádobiek, aby sa kazety mohli bezpečne prepravovať: „Bola to jedna z najťažších úloh zo všetkých.“

Najväčší zlom zo všetkých však nastal na jar 2020 so vznikom pandémie koronavírusu. Ako uviedol Gregorini: „Zrazu bol tento obrovský dopyt po zdravotníckom zariadení v centre nášho výskumného projektu.“ Ešte predtým, ako sa vírus úplne dostal do Švajčiarska, inžinieri začali vyvíjať kazetu na detekciu SARS-Cov-2 – ich vôbec prvý diagnostický test.

Odtiaľ sa veci len valili ako snehové gule. Dvaja výskumníci získali svoj prvý grant z programu „Bridge“ Švajčiarskej národnej vedeckej nadácie (SNSF), po ktorom rýchlo nasledovalo financovanie koronavírusu z rôznych iných zdrojov. V septembri 2020 boli Gregorini a Bechtold prijatí do programu ETH Pioneer Fellowship; v októbri 2020 založili svoju spoločnosť diaxxo.

Od vývojárov až po manažérov

Diaxxo dnes zamestnáva 12 ľudí ako súčasť rastúceho tímu hardvérových a softvérových špecialistov, biotechnológov a elektrotechnikov. Spoločne neustále vylepšujú PCR zariadenie, aby bolo pripravené na trh.

Zameranie dvoch zakladateľov sa zároveň presunulo od vývoja produktov, pretože postupne skĺzli viac do manažérskej úlohy. Teraz trávia väčšinu času odpovedaním na otázky tímu, prípravou prezentácií pre potenciálnych podporovateľov a e-mailovou komunikáciou s projektovými partnermi. Až podvečer, keď už väčšina jeho kolegov odíde domov, si Gregorini konečne nájde čas, aby skontroloval, ako sa veci vyvíjajú v ich dielni na ETH.

Terénne štúdium na Zanzibare poskytuje dôležité vstupy

Medzitým sa zoznam potenciálnych zákazníkov neustále rozrastá. Každý deň prichádzajú nové dopyty – vrátane záujmu od veľkej výletnej spoločnosti. Ale keďže zariadenie v súčasnosti stále čaká na schválenie ako zdravotnícka pomôcka, zakladatelia spoločnosti nemajú povolené predávať svoje produkty súkromným zákazníkom a musia sa spoliehať na výskumnú spoluprácu. Tieto spoločné projekty ponúkajú dokonalý kanál na zlepšenie vhodnosti zariadenia na každodenné použitie.

Projekt diaxxa so Švajčiarskym tropickým a verejným zdravotným inštitútom (Swiss TPH) je najväčšou spoluprácou, do akej sa start-up zatiaľ pustil. Zahŕňa terénnu štúdiu na Zanzibare, kde sa v súčasnosti používajú prístroje diaxxo na testovanie školákov v celej krajine na schistosomiázu, chorobu spôsobenú parazitickými červami.

Partneri švajčiarskej TPH sú z nového PCR zariadenia obzvlášť nadšení, pretože im umožňuje vykonávať testovanie na mieste v školách. Gregorini a Bechtold sú k dispozícii 24 hodín denne, aby podporili výskumníkov pri používaní zariadenia a už pomohli improvizovať všetko od aktualizácií softvéru až po miestne príručky opráv.

Toto neustále sa meniace prostredie je jednou z vecí, ktoré Bechtold na svojej práci miluje: „Každý deň je ďalšou úžasnou príležitosťou na vzdelávanie.“ Zároveň si však obaja zakladatelia uvedomujú, že diaxxo môže mať obmedzenú životnosť. Ako dodal Gregorini: „Pre malú spoločnosť v sektore zdravotníckych pomôcok je veľmi náročné vybudovať dostatočne veľkú škálu produktov na to, aby boli ziskové.“

Jedným zo scenárov je, že diaxxo niekedy v priebehu niekoľkých rokov získa väčšia spoločnosť. Ale zatiaľ sú obaja zakladatelia odhodlaní dať do podnikania všetko, čo môžu, a uvidia, ako ďaleko to dokážu dotiahnuť.

Viac informácií:

The fastest and smallest Corona PCR test (ETH News for Industry, (23. 4. 2021)