SIMPLE point-of-care test voor detectie van tuberculose in Afrika

De toenemende levensverwachting in ontwikkelde landen, exponentiële bevolkingsgroei in ontwikkelingslanden en impact van de klimaatverandering zijn enkele wereldwijde fenomenen, die verwacht worden om het voorkomen van infectieziekten (bv., tuberculose, malaria en COVID-19) en chronische aandoeningen (bv., hart- en vaatziekten, kanker en diabetes) drastisch te doen toenemen op globale schaal. In dit opzicht spelen diagnostische testen een cruciale rol om deze ziektes in een vroeg stadium op te sporen en de patiënten van waardevolle informatie te voorzien voor een goed ziektebeheer. In de meeste zorgstelsels worden deze diagnostische testen echter voornamelijk uitgevoerd in dure, goed uitgeruste centrale laboratoria, die beheerd worden door hoogopgeleid personeel. Dit heeft als gevolg dat een groot deel van de wereldbevolking hier geen toegang toe heeft vanwege beperkte financiële middelen, gebrek aan goede infrastructuur en logistiek netwerk, of leven in moeilijk bereikbare regio’s. Om betrouwbare testen overal en voor iedereen (bv., thuis) meer toegankelijk te maken, moeten zorgstelsels overschakelen naar een gedecentraliseerde en patiëntgerichte benadering. Hiervoor zijn technieken voor microstaalname van op afstand en point-of-care testen twee strategieën met een enorm potentieel door enerzijds het proces van staalname te vereenvoudigen (zelfafname thuis) of anderzijds onmiddellijke diagnostische resultaten te bieden in de nabijheid van de patiënt.

Met het oog hierop, beloven lab-on-a-chip (LOC) technologieën al jarenlang om diagnostische testen los te koppelen van hun laboratoriumomgeving door complexe analytische technieken (zoals staal voorbereiding en uitlezing) te integreren en automatiseren op geminiaturiseerde microfluïdische chips. Desondanks heeft het veld zich voornamelijk gericht op het tonen van de functionaliteit die de technologie biedt en in mindere mate het ontwikkelen van geïntegreerde systemen die de echte problemen van de eindgebruiker oplossen. Als gevolg zijn de meeste LOC-apparaten nog steeds beperkt tot laboratorium omgevingen vanwege de vereiste van externe apparatuur (zoals pompen) en hoogopgeleid personeel voor gebruik. 

In deze context heeft onze onderzoeksgroep de (infusion) self-powered microfluidic pump by liquid encapsulation ((i)SIMPLE) technologie ontwikkeld om kleine vloeistof volumes te manipuleren zonder de vereiste van enige vorm van actieve externe apparatuur. De algemene doelstelling van dit proefschrift was om de microfluïdische toolbox ervan verder uit te breiden naar een modulair en programmeerbaar LOC-platform voor gedecentraliseerde point-of-care toepassingen. De thesis werd opgedeeld in twee onderzoekslijnen, elk gericht op een andere strategie om gedecentraliseerde gezondheidszorg te realiseren.

In het eerste gedeelte werd een gebruiksvriendelijk microfluïdisch microstaalname apparaat ontwikkeld voor de autonome collectie en voorbereiding van meerdere hoogwaardige gedroogde bloedspotten (GBS). Hiertoe werd een nieuw meetconcept ontwikkeld, gebruikmakend van de gecoördineerde actie van hydrofobe breekkleppen, en vervolgens geïntegreerd op het (i)SIMPLE platform om exact afgemeten volumes te isoleren van een staal met ongekend volume. Om het apparaat compatibel te maken met veldtoepassingen werd een gebruiksvriendelijke en robuuste chip-tot-omgeving interface geïntegreerd die in combinatie met het voorgesteld pompsplitsingsmechanisme, de voorbereiding van meerdere GBS stalen mogelijk maakte. Dit apparaat werd gevalideerd met betrekking tot het opvolgen van therapeutische biofarmaceutica en aangetoond om compatibel te zijn met capillaire bloedstalen.

In het tweede gedeelte van de thesis werden verschillende microfluïdische modules ontwikkeld die staalvoorbereiding (zoals afmeten en verdunnen van reagentia), warmte generatie en analyt detectie op chip mogelijk maken zonder afhankelijk te zijn van enige bijkomstige apparatuur. Stapsgewijze seriële verdunning werd gerealiseerd door het ontwikkelde meetconcept te koppelen aan een verdunningsmodule, welke aangetoond werd om nauwkeurige en reproduceerbare verdunningen tot op een duizendmaal verdunningsfactor te genereren. Vervolgens werden faseovergangsmaterialen benut om gecontroleerde en gelokaliseerde opwarming op chip mogelijk te maken zonder dat enige vorm van actieve stroomvoorziening nodig was. Ten slotte werd een op zichzelf staande microfluïdische chip voorgesteld die alle stappen omtrent de uitvoering van een sneltest voor malaria detectie volledig automatisch en autonoom uitvoert. Door al deze verschillende modules te koppelen op het (i)SIMPLE platform kunnen complexe bioassays geïntegreerd en geautomatiseerd worden zonder de nood voor bijkomstige apparatuur. Daarom geloven we dat deze technologie een enorm potentieel heeft voor de volgende generatie van volledig autonome staal-tot-resultaat point-of-care-testen.