Přístroj na detekci koronaviru ze slin je o krok blíže k využití v praxi

Srdcem metody, která s vysokou přesností detekuje přítomnost i množství viru SARS-CoV-2 v lidských slinách, je biočip s vibrující krystalovou destičkou. Jde o poměrně rychlou a bezpečnou metodu, jak virus odhalit, říká Hana Lísalová, vedoucí týmu z Fyzikálního ústavu AV ČR, jenž biočip vyvinul. Technologie je nyní připravena k přenosu do praxe – prototyp přístroje vyrobí výzkumně-vývojové pracoviště CARDAM. Zařízení by mohlo pomoci s každodenním kontrolním testováním třeba u vstupů do zaměstnání a budov, kde se shromažďuje větší počet lidí.

Ve Fyzikálním ústavu AV ČR už od vypuknutí pandemie koronaviru vyvíjíte technologii, schopnou odhalit přítomnost viru ze vzorku. Bude pracovat na bázi senzoru se zabudovaným biočipem. V jaké jste nyní fázi?

Neustále ho zdokonalujeme. A také pracujeme souběžně na dvou rozdílných platformách, ve kterých biočip bude fungovat. Jedna je přenosný vícekanálový biosenzor pro použití přímo v terénu pro kontrolu bezpečnosti potravin – to bude v podstatě lehký a skladný kufřík. A druhý směr, kterým jdeme, je velký robotický systém, který by měl sloužit k ochraně obyvatel nebo zaměstnanců, zejména v průmyslové výrobě, hutním průmyslu a podobně. Takže na jedné straně technologii minimalizujeme pro práci jednotlivců v terénu a na druhé ji automatizujeme pro použití ve velkém měřítku. Tento systém by měl pracovat bez nutnosti přítomnosti kvalifikované obsluhy při každém jednotlivém odběru.

Tato druhá větev by tedy měla pomoci v boji proti šíření viru SARS-CoV-2?

Je to primární cíl, ale zařízení koncipujeme tak, aby mohlo zareagovat i na další infekční hrozby, které zpomalují průmysl, například virus chřipky nebo vybraná bakteriální onemocnění. Je řada patogenů, na něž lze přístroj překonfigurovat.

Jak bude robotický systém vypadat?

Velmi zjednodušeně si ho můžeme představit jako automat na kávu s kelímky, který funguje obráceně. Kávový automat kelímky s tekutinou vydává, kdežto náš robot je bude přijímat. Člověk k němu přijde, vypláchne si ústní dutinu určitým množstvím roztoku a kelímek vrátí do automatu, systém tekutinu odebere, vzorek pošle do útrob stroje k biočipu, který ho zanalyzuje, a robot podle výsledku signalizuje zelenou – tedy vše je v pořádku, anebo červenou – pozor, zde je vysoké riziko pozitivního nálezu. V tomto případě bude doporučeno absolvovat kontrolní standardizovaný test – například PCR test v případě koronaviru.

Postačí tedy sliny?

Ano, opravdu bychom chtěli jít neinvazivní cestou. Jednak je určitě příjemnější si jen prokloktat ústa a jednak – a to je pro celý koncept důležité – u tohoto testu nemusí být přítomen zdravotnický personál, který odběry standardně provádí. Každý se obslouží sám.

V některých případech to může vyžadovat technický dozor, ale už nemusí nutně jít o zdravotníka.

Je vzorek ze slin srovnatelný se vzorkem z nosohltanu, co se týče virové nálože?

Na toto nejsem úplně odborník. Existují studie, které ukazují, že v ústní dutině je viru srovnatelné množství jako v nosohltanu. I naše předběžné výsledky získané pomocí standardní metody RT-qPCR ukazují, že testování ze slin je, minimálně v akutní fázi onemocnění u symptomatických pacientů, srovnatelné se vzorkem získaným stěrem z nosohltanu. Ale myslím si, že se to nedá zjednodušovat. Záleží také na způsobu odběru, jestli se člověk předtím napije, vypláchne si ústa a podobně. Z mého pohledu je to tedy ve fázi výzkumu, nám se ovšem daří prokazovat, že pokud je vzorek pozitivní z nosohltanu, je pozitivní i z odběru z ústní dutiny. Budeme se touto otázkou dále intenzivně zabývat. Co se týká vzorků z nosohltanu, v rámci takzvaných proof of concept experimentů jsme na zaslepené studii reálných klinických vzorků z nosohltanu zpracovaných metodou PCR ověřili stoprocentní shodu s našimi testy. Teoreticky tedy citlivost našeho biosenzoru může být srovnatelná a i výrazně vyšší, než mají běžné antigenní testy. Čeká nás ale ještě velká studie z výplachu z ústní dutiny.

Čím si vlastně lidé budou ústa vyplachovat? Obyčejnou vodou?

I to je předmětem výzkumu. Testujeme například roztok se speciálním složením, aby dobře promyl ústní dutinu. Pracujeme i s verzí, že by to měl být standardní fyziologický roztok (0,9 % vodný roztok chloridu sodného, pozn. redakce). Je zdravotně naprosto nezávadný a chutná slaně.

Člověk si tedy propláchne ústa, tekutinu vyplivne zpátky do kelímku a vloží ho do automatu. Co se bude dít potom?

Robot vsákne vzorek do svých útrob a ten se tam potká s biočipem propojeným se speciální mikrofluidní celou. Zjednodušeně řečeno – samotným senzorem je krystal, který vibruje určitou frekvencí. Pokud se na něj naváže hledaná látka, způsobí to odezvu senzoru – a frekvence se změní. Citlivost detekce je přitom v řádu nanogramů na centimetr čtvereční. Takže jsme schopni zjistit změnu signálu i u miniaturních výchylek.

Obr. Destička biočipu díky speciálnímu povrchu umí zachytávat zvolené patogeny

Jak je možné, že se na biočip naváže právě virus SARS-CoV-2?

Materiál biočipu je na jeho odchyt přímo koncipován. Pokrývá ho tenká vrstva speciálního polymeru, který jsme sami vymysleli – na jeho konkrétní složení máme podanou patentovou žádost. Polymer unikátním způsobem zachytává dané látky přímo z biologického vzorku a zároveň ignoruje vše ostatní, co ve vzorku plave. Ve slinách je totiž spousta proteinů, malých molekul a dalších látek a ty mohou mít tendenci vázat se na povrch a při testování pak způsobovat falešně pozitivní nebo negativní odezvy. Podle průběžných výsledků naše technologie žádné takové nezpůsobuje. To je velice důležité.

Pozná krystal biočipu i případné mutace viru?

Selektivita detekce konkrétní látky, třeba koronaviru, je dána receptorem. Pro nás ho připravuje zahraniční partner a je natolik dobrý, že detekuje protein, který mezi jednotlivými mutacemi viru není příliš variabilní. Navíc oproti jiným testům, jako je třeba ELISA, nepotřebujeme dvě protilátky proti jednomu analytu, nám stačí jedna, protože se jedná o přímou detekci, nijak nezesílenou. Nicméně v případě mutace koronaviru nebo další hrozby v podobě jiného patogenu se technologie dá adaptovat velice rychle na nové podmínky. Lze tak vyrobit novou protilátku, jiný receptor.

Vraťme se zpátky k robotickému systému jako celku. Za jak dlouho bude znát člověk odpověď na otázku, zda je pozitivní, nebo negativní, poté, co vrátí kelímek se vzorkem do přístroje?

Čas je klíčový parametr, čas jsou peníze. Pokud by přišlo do továrny třeba sto lidí najednou, je žádoucí je rychle otestovat. Zatím to vypadá, že testovaný bude znát výsledek maximálně do několika minut. Přístroj bude umět testovat více lidí současně. Pokaždé, když čip odhalí pozitivní vzorek, může se stát už více nepoužitelným v určité konfiguraci. A proto chceme, aby systém byl vícekanálový. Představte si to jako cartridge do tiskárny. Je to jedna z variant, na které pracujeme. Ve výsuvném modulu by mohlo být například několik desítek biočipů – když se určitý počet vypotřebuje, vymění se za novou sadu.

V hledáčku tedy máte především průmyslovou oblast. Uvažujete i o jiných aplikacích? Co třeba zdravotnická zařízení nebo kulturní sektor? Dokážu si představit, že takový přístroj by mohl stát u vchodu do divadel nebo na koncerty…

Všechny tyto cesty jsou otevřené a do budoucna o nich uvažujeme, nicméně je potřeba někde začít. Jednou z motivací je, že omezení nebo zastavení průmyslové výroby může být velice problémové. Hlavní potenciál naší metody vidím v testování během období, kdy je nákaza už na ústupu a kdy je žádoucí zabránit jejímu zavlečení zpět na pracoviště – aby se tak firmy vyvarovaly karanténám zaměstnanců, zpomalení výroby, nebo dokonce uzavření provozu.

Co vás čeká v nejbližší době?

Celý projekt už nabývá konkrétní podoby. Po dlouhé době vyjednávání se zájemci z řad komerčních subjektů jsme navázali spolupráci s průmyslovým partnerem, společností CARDAM, což je ryze český technologický start-up. Jeho kvality se osvědčily už během první vlny koronaviru na jaře. Při výrobě polomasek designovaných na ČVUT dokázal CARDAM rychle reagovat, bleskově připravil výrobu, výrobní postupy a kontrolní mechanismy pro konkrétní produkt a zahájil sériovou výrobu. Mám z finálního výběru partnera radost, protože know-how, které vzniklo ve Fyzikálním ústavu AV ČR, budeme dále rozvíjet na domácí půdě. Na tomto místě bych ráda zmínila i další ústavy, které nám na vývoji biosenzoru pomáhaly. I nadále s námi spolupracují kolegové z Biologického centra AV ČR a z Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity – bez nich by to ani moc dobře nešlo. My sami nejsme odborníci na viry, nepokrýváme celou oblast vědomostí, které jsou potřeba pro interdisciplinární výzkum. Snad společně přispějeme i k tomu, aby Česká republika přestala být považována za montovnu Evropy, ale stala se mozkovnou Evropy. A naše další kroky? Nyní vytvoříme prototyp a budeme v testovacích halách v pilotním projektu ladit jednotlivé prvky systému a odstraňovat jeho případné nedostatky.

Jak daleko jsou zahraniční týmy s vývojem podobných zařízení? Sledujete jejich výzkumy, nebo je necháváte stranou?

Jakmile se pustíte do hledání průmyslového partnera, je nutné udělat si rešerši konkurence, takže i my jsme tímhle kolečkem museli projít a myslím, že jsme prošli úspěšně. Největším konkurentem jsou pro nás antigenní testy, nicméně naše biočipy oproti nim mají několik zásadních výhod. Jednou z nich je možnost kvantitativního odhadu množství viru. To znamená, že náš test nepodá pouze odpověď ano/ne, ale také odpověď, jestli infekční dávka v testovaném vzorku je vysoká, střední nebo nízká. Umíme tedy určit i koncentraci virového proteinu.

Kdy přístroje budou připraveny do ostrého provozu a dostanou se do konkrétních firem, aby mohly chránit jejich zaměstnance?

Čeká nás další vývoj a především složitý certifikační proces, jehož nedílnou součástí je dvojitě zaslepená studie vzorků. Nemůžu teď slibovat přesný časový údaj, samozřejmě bychom ale byli rádi, kdyby šlo vše velmi rychle a efektivně. Všichni o to máme enormní zájem, takže vynaložíme co největší úsilí, aby se robot sestavil a certifikoval co nejdříve.

Je tedy ještě asi předčasné hovořit o tom, kolik firmy za robotický systém na testování zaměstnanců zaplatí…

Cenu samozřejmě ještě neznáme, ale již víme, že se bude skládat ze dvou položek – jedna bude za samotný robotický systém a druhou položku budou tvořit čipy v cartridgích, které bude třeba vyměňovat.

Úplně stranou jsme zatím nechaly druhou platformu pro využití biočipů – přenosný kufřík určený pro práci v terénu. Jaký bude jeho účel?

Kufříky by měly už od konce roku 2021 patřit k vybavení pracovníků Ochranné služby Policie ČR. Jedním z jejich úkolů je zajistit zdravotní nezávadnost potravin, které konzumují chráněné osoby, může se jednat například o ústavní činitele. Oproti standardním testům naše biočipová technologie může výrazně zkrátit dobu detekce, výsledky jsou téměř okamžitě a přímo na místě.

Obr. Kufřík pro testování nezávadnosti potravin na základě biočipové technologie je celkem lehký

Dokáže biosenzor zjistit jen to, zda je potravina zkažená, anebo umí detekovat i přítomnost jedu?

Pozor, to musím uvést na pravou míru. Nezkoumáme komplexní bezpečnost potraviny. Musíme vědět, co hledáme. A zjistíme pouze, jestli v potravině konkrétní látka je, či není – je to screeningová metoda. Pracovníci Ochranné služby kupříkladu už vědí, co u kterých pokrmů testovat. Zjednodušeně si můžeme představit, že například Salmonellu budeme testovat ve vejcích, vybraných mléčných výrobcích nebo v masových pokrmech. Použije se tedy konkrétní biočip na konkrétní potravinu. Design biočipu směrujeme tak, aby poznal několik látek najednou.

RNDr. Hana Lísalová, Ph.D.

Vystudovala biofyziku a chemickou fyziku na Matematicko-fyzikální fakultě UK. Po získání doktorského titulu se dva roky věnovala výzkumné činnosti na Washingtonské univerzitě v Seattlu. V letech 2013–2017 byla vědeckou pracovnicí v Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR. Nyní působí jako vedoucí laboratoře funkčních biorozhraní na oddělení optických a biofyzikálních systémů Fyzikálního ústavu AV ČR. Zabývá se zejména vývojem specializovaných funkčních materiálů a inovativních biomateriálů. Publikovala více než tři desítky světově uznávaných odborných textů a je spoluinventorkou čtyř patentů. V roce 2011 získala stipendium L’Oréal Pro ženy ve vědě, je laureátkou Prémie Otto Wichterleho (2018) a Prémie Lumina quaeruntur (2019).

Rozhovor s Hanou Lísalovou přineslo i jarní číslo časopisu A / Věda a výzkum, kde se můžete dozvědět další podrobnosti o vynálezu či o tom, jak vědkyně dokáže skloubit špičkovou výzkumnou práci s rolí matky tří dětí i se zrakovým handicapem.

Připravila: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (5.1.2021)