Elvesys zaprojektował najszybszą na świecie platformę do wykrywania patogenów

Rys. 1. Technologia wykrywania patogenów Fastgene

W wiosce globalnej, jaką staje się nasz świat, kryzysy zdrowia publicznego nie są jedynie apokaliptyczną wizją znaną z hollywoodzkich produkcji. Ebola, grypa czy zagrożenia patogenami, takimi jak wąglik, stały się dziś realnym problemem. Rozwinięcie metod wykrywania, które potrafią szybko oraz niezawodnie zdiagnozować zagrożenie, stwarza ogromne możliwości ratowania ludzkiego życia.

Czas oraz dokładność diagnozy są kluczowymi elementami podczas próby wykrycia patogenów. Z tego też powodu organizacja National Academy of Engineering uznała postęp w dziedzinie inżynierii medycznej za jedno z wielkich wyzwań XXI wieku. Podstawową motywacją do podjęcia tego wyzwania jest poprawienie przygotowania, oraz ewentualnej odpowiedzi, na kryzysy zdrowia publicznego, takie jak pandemie czy użycie broni chemicznej lub biologicznej.

Nowy rekord czasu odpowiedzi ratującej życie

Dzisiejsze technologie wykrywania patogenów wymagają dużo czasu oraz kosztownych laboratoriów, aby uzyskać dokładny oraz niezawodny wynik testów. W przypadku, gdy w grę wchodzi ludzkie życie i zagrożenia, takie jak ebola czy wąglik, każda minuta ma znaczenie. Z tego też powodu Elvesys zdecydował się na rozwijanie Fastgene - najszybszej na świecie technologii służącej do wykrywania patogenów w kropli krwi lub śliny.

Dzięki niemu pracownicy medyczni są w stanie wykryć ebolę w sześć minut a wąglik w siedem. To odpowiednio 7 oraz 14 razy szybciej niż najlepsze dotąd technologie. Czas ten zwiększa szanse pacjentów oraz minimalizuje ryzyko wymknięcia się choroby spod kontroli.

Technologia

Rys. 2. Elvesys wybrał sprzęt akwizycji danych firmy NI ze względu na jego dokładność, precyzję, szybkość akwizycji oraz niski koszt

Fastgene zostało oparte o technologię mikroprzepływów umożliwiającą precyzyjną kontrolę przepływu próbek cieczy. Dzięki drastycznemu zmniejszeniu wielkości próbki do jednej kropli krwi lub śliny, wiele operacji diagnostycznych może zostać zaimplementowanych w pojedynczym module typu "lab-on-a-chip". Technologia Fastgene jest w stanie zwielokrotnić obecne w próbce DNA, dzięki czemu zwiększa się liczba kopii w teście, co znacznie ułatwia wykrywanie patogenów.

Można wyróżnić trzy główne komponenty, które w znaczny sposób wpłynęły na sukces tej platformy: mikroprzepływowy system zarządzania próbkami, system wykrywania i pomiarów markerów fluorescencyjnych oraz oprogramowanie umożliwiające kontrolę całego procesu. Gdy DNA jest powielane, liczba patogenów obecnych w próbce ściśle zależy od wykrycia miejsc fluorescencyjnych w każdym duplikacie DNA.

Biorąc pod uwagę tempo, z jakim dochodzi do zwielokrotnienia DNA, krytycznym punktem systemu jest szybkość wykrywania markerów fluorescencyjnych przy zachowaniu odpowiedniej dokładności. Aby tego dokonać, Elvesys do budowy czytnika fluorescencyjnego wykorzystał tanią kartę akwizycji danych - NI USB-6003 i oparł konstrukcję na LabVIEW.

Pozwoliło to na znaczne uproszczenie złożonej procedury laboratoryjnej. NI USB-6003 umożliwia dokonanie akwizycji danych przy próbkowaniu 100 kHz i 16-bitowej rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego. Dzięki temu możliwe staje się wykrywanie niewielkich zmian w DNA nawet wśród wysokiego poziomu szumu tła.

Elvesys wykorzystał istniejące w LabVIEW funkcje wspomagające optymalizację parametrów akwizycji oraz analizę uzyskanych danych, co z kolei przełożyło się na skrócenie czasu rozwoju produktu. Dzięki LabVIEW, Elvesys sprowadził skomplikowany proces, jakim jest automatyzacja odczytu markerów fluorescencyjnych, detekcji DNA oraz analizy danych, do czytelnego interfejsu użytkownika umożliwiającego pracę w terenie.

Minimalizacja czasu rozwoju z LabVIEW oraz NI DAQ

Rys. 3. Integracja kart pomiarowych NI DAQ z oprogramowaniem LabVIEW pozwoliła na znacznie skrócenie czasu tworzenia aplikacji

Dzięki niewielkiemu zespołowi składającemu się z 20 specjalistów, Elvesys wprowadził na rynek, za pomocą Elveflow, technologie wykorzystane przy rozwoju systemu wykrywania patogenów Fastgene. Niezwykle istotną kwestią dla tak innowacyjnego startupu niemającego zewnętrznego źródła finansowania jest czas rozwoju produktu, który został zminimalizowany dzięki zastosowaniu wysoce konfigurowalnej karty NI DAQ zintegrowanej z wysokopoziomowym środowiskiem programowania - LabVIEW.

Elvesys zaprojektował oraz stworzył prototyp całego systemu wykrywającego patogeny w mniej niż dwa lata, co przykuło uwagę francuskiego urzędu ds. zamówień publicznych. Urząd ten zlecił Elvesys rozwinięcie kolejnego prototypu, który mógłby zostać zastosowany w terenie przez francuskich wojskowych.

Prototyp ten pomoże ochraniać żołnierzy oraz miasta, jednak w dalszym ciągu misją projektu jest niskobudżetowy system diagnostyki dla pacjentów. Wykorzystanie najnowszych osiągnięć w dziedzinie mikroprzepływów oraz niezawodnego systemu pomiarowego od NI pomogło wygrać Elvesys konkurs Worldwide Innovation Challenge organizowany przez francuski rząd.

Maël Le Berre, Guilhem Velvé
Casquillas, Elvesys
National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com