Przyznane blisko 2 mln zł z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego umożliwią dalsze prace nad budową fotonicznego biosensora, który w przyszłości ma wspierać szybką i czułą diagnostykę medyczną bezpośrednio w miejscu opieki nad pacjentem.
Projekt SENSOPTIC – „Zintegrowany czujnik optyczny do wczesnej diagnostyki chorób oparty na strukturach fotonicznych” – jest kontynuacją prac badawczych zapoczątkowanych w instytucie w ramach wewnętrznego programu PORT TECH CALL w roku 2025. Naukowcy będą rozwijać technologię fotonicznego biosensora, czyli miniaturowego układu, który wykorzystuje światło do wykrywania obecności określonych substancji biologicznych w badanej próbce. Takie rozwiązanie może wspierać diagnostykę prowadzoną szybciej, bliżej pacjenta i bez konieczności transportowania próbek do wyspecjalizowanych laboratoriów.
– Ten projekt jest kontynuacją prac, w których krok po kroku budowaliśmy kompetencje: od projektowania struktur fotonicznych, przez ich wytwarzanie, po pierwsze testy detekcyjne. Dofinansowanie z MNiSW pozwala nam przejść od weryfikacji podstaw technologii do etapu prototypu o coraz wyraźniej określonym zastosowaniu medycznym – mówi dr hab. Joanna Cybińska, zastępca dyrektora ds. B+R w Łukasiewicz – PORT.
Od prostych substancji do biomarkerów
W pierwszym etapie naukowcy koncentrowali się na projektowaniu i wytwarzaniu struktur fotonicznych zdolnych do wykrywania prostych analitów chemicznych, takich jak woda czy alkohol izopropylowy. Kluczowe było sprawdzenie, czy zmiany właściwości optycznych środowiska mogą zostać wykorzystane do precyzyjnej detekcji substancji w czasie rzeczywistym.
Wyniki tych prac potwierdziły, że zjawiska fotoniczne mogą stanowić solidną podstawę dla nowoczesnych technologii sensorycznych. Kolejnym krokiem było przejście od detekcji prostych związków chemicznych do zastosowań biologicznych. Multidyscyplinarny zespół zaczął rozwijać metody aktywacji i funkcjonalizacji powierzchni warstw fotonicznych, czyli takiego przygotowania powierzchni sensora, aby mogła ona selektywnie wiązać określone cząsteczki biologiczne.
– Najważniejsza w tej technologii jest możliwość połączenia czułego układu optycznego z powierzchnią, którą można biologicznie „zaprogramować” pod konkretny cel diagnostyczny. Dzięki temu nie myślimy o pojedynczym czujniku do jednego zastosowania, ale o platformie, którą w przyszłości można adaptować do wykrywania różnych biomarkerów – wyjaśnia dr hab. Joanna Cybińska.
Jak działa fotoniczny biosensor?
Rozwijany w Łukasiewicz – PORT biosensor opiera się na zaawansowanych strukturach fotonicznych, takich jak interferometry Macha-Zehndera oraz kryształy fotoniczne, połączonych z cienkowarstwowymi falowodami SiOx. W praktyce oznacza to miniaturowy układ, w którym światło staje się nośnikiem informacji o tym, co dzieje się na powierzchni sensora.
Jeżeli do odpowiednio przygotowanej powierzchni przyłączy się poszukiwany biomarker, zmieniają się właściwości optyczne układu. Sensor może wykryć tę zmianę bez konieczności stosowania dodatkowych znaczników chemicznych. To właśnie dlatego ta technologia określana jest jako bezznacznikowa.
W finansowanym projekcie prace skoncentrują się na opracowaniu urządzenia pozwalającego na szybkie i selektywne wykrywanie wybranych biomarkerów. W pierwszej kolejności biosensor zostanie dostosowany do oznaczania hormonów steroidowych, takich jak estrogen i progesteron. Jednocześnie architektura technologii od początku projektowana jest jako rozwiązanie platformowe, które w przyszłości może zostać zaadaptowane do wykrywania szerszego spektrum bioanalityków, m.in. białek, peptydów, egzosomów, bakterii czy wirusów.
Diagnostyka bliżej pacjenta
Jednym z głównych założeń projektu jest możliwość wykorzystania biosensora w modelu point-of-care testing, czyli bezpośrednio w miejscu opieki nad pacjentem. Docelowo wynik badania mógłby być dostępny w ciągu kilkunastu minut.
Takie rozwiązanie może w przyszłości skrócić czas diagnostyki, zwiększyć dostępność badań poza dużymi ośrodkami miejskimi i odciążyć system ochrony zdrowia. Ma to szczególne znaczenie w obszarach, w których szybka identyfikacja biomarkerów może wspierać decyzje kliniczne i personalizację terapii.
Jedna platforma - wiele możliwości
Technologia rozwijana w Łukasiewicz – PORT wpisuje się w globalny trend rozwoju diagnostyki opartej na biosensorach. Szczególnie dynamicznie rozwijają się rozwiązania optyczne i fotoniczne, które oferują wysoką czułość pomiarów, możliwość analizy w czasie rzeczywistym i eliminują konieczność stosowania znaczników chemicznych.
Istotną przewagą opracowywanego podejścia jest jego potencjalna uniwersalność. W przeciwieństwie do wielu biosensorów jednorazowych, których zastosowanie jest z góry ograniczone do jednego typu pomiaru, rozwiązanie rozwijane w instytucie zakłada możliwość modyfikacji warstwy bioreceptorowej bez zasadniczej ingerencji w sam układ optyczny. Otwiera to drogę do budowy całych rodzin urządzeń diagnostycznych opartych na jednej platformie technologicznej.
Efektem projektu ma być demonstrator przetwornika fotonicznego biosensora, który potwierdzi wykonalność technologii i umożliwi dalsze prace aplikacyjne prowadzące w kierunku wdrożenia.
Fotonika, biotechnologia i inżynieria materiałowa
W Łukasiewicz – PORT możliwe jest integrowanie różnych podejść technologicznych: od projektowania i wytwarzania układów fotonicznych, przez ich funkcjonalizację biologiczną, aż po rozwój mikrofluidycznych systemów analizy próbek i miniaturyzację platform diagnostycznych. Ważnym elementem zaplecza jest także zaawansowana infrastruktura laboratoryjna instytutu umożliwiająca prowadzenie badań i walidację biologiczną opracowywanych rozwiązań w kontrolowanych warunkach.
– Rozwijany biosensor jest częścią szerszego ekosystemu kompetencji, które budujemy w naszym instytucie. Łączymy fotonikę, bioinżynierię i technologie materiałowe po to, aby tworzyć rozwiązania, które mogą realnie odpowiadać na potrzeby nowoczesnej diagnostyki – dodaje dr hab. Joanna Cybińska.
Projekt SENSOPTIC ma dostarczyć nowych metod badawczych w obszarze fotoniki i bioinżynierii, a w dłuższej perspektywie stworzyć podstawy do komercjalizacji kompaktowych biosensorów. Opracowana platforma materiałowa i technologiczna może w przyszłości znaleźć zastosowanie w szerokim spektrum diagnostyki molekularnej.
Projekt finansowany jest ze środków budżetu państwa przyznanych przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu „Nauka dla Rozwoju Społeczeństwa”.
