25 april 2024
Van Data Efficientie tot autonoom rijden: NXPs rol in de voertuigen van de toekomst
- Mobiliteit
- DITM
Ondernemen & innoveren
Door onze unieke hightech competenties en de krachtige samenwerking tussen bedrijfsleven, onderwijs- en kennisinstellingen en overheden is Brainport Eindhoven uitgegroeid tot een economische kernregio. Samen realiseren we innovaties voor de maatschappelijke vraagstukken van vandaag en morgen.
Ondernemen & Innoveren 
Sluiten
Sluiten
Geïntegreerde fotonica: essentieel voor biosensortechnologie bij de bestrijding van ziekten
Bij Point of Care testen (PoC-testen) worden patiënten meteen ter plekke getest in plaats van in een medische instelling. Hierdoor kan er sneller een diagnose worden gesteld en betere zorg worden verleend.
Foto door Bart van OverbeekeSnellere en goedkopere diagnose van ziekten
Biosensortechnologie detecteert biomoleculen met behulp van een analytisch apparaat dat een biologische component combineert met een fysicochemische uitlezing. De op silicium gebaseerde fotonische biosensortechnologie, waarbij gebruik wordt gemaakt van evanescente golfdetectie, is één van de belangrijkste technologieën voor het leveren van echte Point-of-Care (PoC) apparaten. PoC-apparaten zullen een grote rol gaan spelen bij de wereldwijde preventie en bestrijding van ziekten.
In de medische diagnostiek wordt gebruik gemaakt van tijdrovende, dure en gespecialiseerde technieken die in een laboratorium worden uitgevoerd door opgeleide laboranten. Door de afstand tussen de patiënt en het diagnostisch centrum en de tijd die nodig is om de resultaten terug te sturen, kan het lang duren voor een diagnose wordt gesteld en zijn de testen duur. Er is behoefte aan een draagbaar en zeer gevoelig "lab-on-a-chip" (LOC) platform dat makkelijk is in gebruik, zodat er meteen een diagnose kan worden gesteld. De voordelen ten opzichte van de huidige methoden zijn onder meer dat het minder tijd vergt, minder kosten met zich meebrengt en dat er minder behoefte is aan hoogopgeleid personeel, waardoor het mogelijk is om snel en goedkoop op grote schaal te testen; een scenario dat tijdens de wereldwijde coronapandemie in 2020 zeer actueel is geworden.
Op naar een toekomst met Point of Care testen op basis van geïntegreerde fotonica
De opkomende biosensortechnologie gebaseerd op geïntegreerde fotonische circuits (PIC’s) biedt voordelen voor de PoC-industrie, zoals miniaturisatie, extreme gevoeligheid, robuustheid, betrouwbaarheid, mogelijkheid tot multiplex testen (testen op meerdere genetische varianten tegelijkertijd) en massaproductie tegen lage kosten. Ondersteuning en een gezamenlijk aanpak zijn vereist om deze geavanceerde technologie maximaal te kunnen benutten.
Nederland is wereldwijd toonaangevend op het gebied van onderzoek, ontwikkeling en productie van PIC’s. De afgelopen tien jaar hebben verschillende onderzoeksinstellingen en particuliere bedrijven doorbraken geboekt op het gebied van IP. Deze innovatie is ontwikkeld met behulp van PhotonDelta, een organisatie die de versnelde groei van de Nederlandse geïntegreerde fotonica-industrie stimuleert. Om innovatie op het gebied van IP-biosensortechnologie te bevorderen, heeft PhotonDelta een technologieroadmap ontwikkeld die bijdraagt aan de missie van PhotonDelta om de geïntegreerde fotonica-industrie in Nederland te laten groeien. De roadmap illustreert de stappen die gezet moeten worden in de ontwikkeling van medische apparatuur op basis van geïntegreerde fotonica.
In dit artikel wordt de rol geschetst die geïntegreerde fotonica speelt bij de ontwikkeling van biosensoren die essentieel zullen zijn voor onze toekomstige gezondheidsstelsels en worden de kernpunten uit PhotonDelta’s roadmap belicht, zoals:
- Beschrijven van huidige trends en aanjagende factoren.
- Uiteenzetten van op geïntegreerde fotonica gebaseerde oplossingen.
- Een overzicht geven van de uitdagingen en mogelijkheden.
- Ecosysteem geïntegreerde fotonica schetsen.
Point-of-Care testen
De markt voor PoC-testen is groot en groeit snel. Dat was al in de maanden vóór de uitbraak van het coronavirus. Tijdens de coronapandemie is het steeds duidelijker geworden dat er dringend behoefte is aan geavanceerde PoC-testen. De PoC-markt zal naar verwachting groeien van $4,8 mld. in 2019 naar $10,1 mld. in 2025, met een cumulatief jaarlijks groeipercentage van 13,0%. De bijbehorende markt voor biosensorapparaten (microfluïdische chips) werd in 2019 geschat op $500 mln. en zal naar verwachting groeien naar $777 mln. In 2025 bij een cumulatief jaarlijks groeipercentage van 7,7%.1
De toename in gebruik van PoC-testen wordt onder meer gestimuleerd door de zware druk op de kosten waar de gezondheidszorg wereldwijd mee te maken heeft als gevolg van de vergrijzing en het streven om de impact van de meest dodelijke ziekten ter wereld te verminderen.
PoC-testen worden gebruikt binnen uiteenlopende segmenten. Elk segment heeft zijn eigen prioriteiten en vereiste technologieën.
Planning en trends
PoC-testen hebben een belangrijke transformatie ondergaan in de laatste twee decennia. In het begin van de twintigste eeuw werd er een enorme doorbraak geboekt op het gebied van PoC-testen dankzij de ruime beschikbaarheid van eenvoudige testen, zoals voor het meten van het bloedsuikergehalte. Met behulp van deze draagbare apparaten waren de testresultaten snel beschikbaar, maar de kosten waren nog steeds te hoog om de apparaten in grote hoeveelheden te produceren. In de daaropvolgende jaren werden de testen steeds complexer en moesten daarom door steeds complexere apparaten worden uitgevoerd. Overal werd grote, dure testapparatuur gebruikt die alleen beschikbaar was in laboratoria. Dankzij doorbraken op het gebied van geïntegreerde circuits (IC’s) en andere technologieën werden de testapparaten echter steeds kleiner. Voor PoC-testen moeten nog kleinere apparaten worden ontwikkeld. Het uiteindelijke doel is om wegwerptesten te ontwikkelen die zelf de resultaten kunnen analyseren zonder dat daar een apparaat voor nodig is.
Biosensortechnologie op basis van geïntegreerde fotonica
Met Biosensortechnologie op basis van geïntegreerde fotonica kunnen snelle, betaalbare en zeer nauwkeurige op biosensortechnologie gebaseerde testtoepassingen worden ontwikkeld die gebruikt kunnen worden voor PoC-testen. Geïntegreerde biosensoren worden geminiaturiseerd in geïntegreerde circuit-achtige processen en kunnen in grote hoeveelheden worden geproduceerd. Dit is goedkoop, waardoor het mogelijk is om grote hoeveelheden wegwerptesten te produceren. Door de zeer kleine afmetingen en de toegepaste integratieprocessen is er maar een beperkt monstervolume nodig, is het resultaat direct zichtbaar en kan het sensoroppervlak worden gevuld met verschillende sensorstructuren om multiplex testen mogelijk te maken.
Het concept van geïntegreerde biosensortechnologie berust op de interactie tussen biomarker en bioreceptor. In het geïntegreerde biosensorapparaat wordt een biologisch of biomimetisch herkenningselement gecombineerd met een transducer die een specifieke (bio)chemische interactie omzet in een meetbaar signaal. De specificiteit en reactietijd van de test worden bepaald op basis van selectieve bioreceptoren in combinatie met de punten waar de bioreceptoren worden aangebracht. De bioreceptoren hechten alleen aan spiraalvormige lichtgolfgeleiders en niet aan de rest van het oppervlak dat is voorzien van een antifouling-laag. De belangrijkste bioreceptoren zijn antilichamen, DNA-strengen, aptameren of enzymen, en biomimetische materialen. De methode die wordt toegepast om de receptoren in te sluiten of te fixeren op het oppervlak van de transducer is van cruciaal belang voor de prestaties. Hoe meer verschillende soorten bioreceptoren op het actieve oppervlak kunnen worden aangebracht, hoe krachtiger de biosensor is.
SiN biedt voordelen
Op PIC gebaseerde biosensoren die gebruik maken van siliciumnitride (SiN) golfgeleiders beschikken over verschillende voordelige intrinsieke eigenschappen. Ze zijn werkzaam in een zeer breed golflengtebereik dat reikt van zichtbaar licht tot nabij-infrarood licht, waarbij het waterabsorptievenster van water wordt vermeden en fluorescentiedetectie mogelijk is. Door dit golflengtebereik kunnen de biosensoren makkelijk worden gecombineerd met een goedkope laserbron, waardoor ze goedkoper zijn en de omvang kleiner wordt. Biosensoren op basis van SiN PIC's zijn zeer gevoelig. Door gebruik te maken van zelfrefererende optische structuren die ruisbronnen als temperatuurschommelingen elimineren, kan een zeer lage detectielimiet worden bereikt.
Kosten en omvang
Met biosensortechnologie op basis van PIC’s kunnen de goedkope, draagbare tests worden geleverd waar de gezondheidszorg behoefte aan heeft. In het algemeen moeten de kosten per test lager uitvallen dan de kosten voor een test in een klinisch laboratorium, tenzij het cruciaal is dat het resultaat heel snel beschikbaar is. In dat geval is een hogere kostprijs per test de moeite waard. De belangrijkste manier om de kosten te drukken is door middel van massaproductie, net zoals bij de IC’s. Door de productie van vele miljoenen PIC's per jaar op basis van grote substraatwafels die worden verwerkt middels een bijna volledig geautomatiseerd productieproces.
De focus ligt nu op het ontwikkelen van wegwerptesten die zelf de resultaten kunnen analyseren zonder dat daar een apparaat voor nodig is. Dit betekent dat de analysator en de testchip moeten worden teruggebracht tot een wegwerpartikel dat gemakkelijk vast kan worden gehouden. De ‘sneltesten’ voor het coronavirus zijn hier een goed voorbeeld van.
Multiplex testen en beschikbaarheid resultaat
Een van de belangrijkste voordelen van de op PIC gebaseerde PoC-testen is de mogelijkheid om op grote schaal multiplex-testen uit te voeren. Met een dergelijke test kunnen alle genetische varianten van een stof tegelijkertijd worden opgespoord, wat leidt tot nauwkeurigere en beter gestroomlijnde testprocedures. Voor testen met slechts 2 of 3 soorten bioreceptoren wordt steeds vaker "sneltesten" gebruikt. De resultaten zijn dan binnen 15 minuten beschikbaar. Wanneer er op grote schaal multiplex-testen worden uitgevoerd, voor zogenaamde syndroomtesten, zoals microbiologisch onderzoek of het karakteriseren van kankercellen, waarbij tegelijkertijd op meer dan 200 genetische varianten wordt getest, moeten de resultaten binnen een uur beschikbaar zijn of in ieder geval aanzienlijk sneller dan bij conventionele testen.
Uitdagingen en mogelijkheden
Op de lange termijn wordt ernaar gestreefd om PoC-testen op basis van op PIC gebaseerde biosensoren mogelijk te maken zonder dat daar enig apparaat (tafelmodel of draagbaar) voor nodig is en in plaats daarvan gebruikt te maken van wegwerptesten die de uitslag doorsturen naar een smartphone. De belangrijkste doelstellingen, namelijk kostenvermindering, vaststellen juiste sensitiviteit, snelle beschikbaarheid resultaten en de mogelijkheid om meer multiplex-testen uit te voeren, stimuleren de verdere ontwikkeling van de technologie. Elke doelstelling zal echter op een ander moment worden behaald, afhankelijk van de technologische uitdagingen die zich voordoen bij het nastreven van de respectievelijke doelstelling. Gezien de complexiteit van de markt is het niet ondenkbaar dat er al winstgevende toepassingen zullen ontstaan wanneer slechts aan één of enkele van deze doelstellingen wordt voldaan.
Mogelijkheden
Geïntegreerde fotonica kan niet alleen worden gebruikt voor efficiënte en goedkope PoC-testen, de technologie is ook geschikt voor toepassing in de biowetenschappen en de gezondheidszorg. Zoals voor de continue monitoring van biomarkers (draagbaar, minimaal invasief, inneembaar, of implanteerbaar). Daarnaast is er de mogelijkheid om, in het kader van gepersonaliseerde geneeskunde, biomarkers te monitoren en tegelijkertijd therapie toe te passen, zoals bij in situ diagnoses via orgaan-op-een-chip systemen.
Uitdagingen
Bij de ontwikkeling van de op PIC gebaseerde PoC-testen moet een afweging worden gemaakt tussen kosten en robuustheid/betrouwbaarheid. De technologie zou zich in verschillende richtingen kunnen ontwikkelen afhankelijk van de tijd die nodig is om een deel van de technologie door te ontwikkelen en de richting die de leidende ontwikkelaars op willen gaan. Een multidisciplinaire aanpak gericht op biochemie, het ontwikkelen van assays, het functionaliseren van oppervlakken, microfluïdica en een integrale aanpak van de industrialisering, is noodzakelijk om snelle innovatie mogelijk te maken.
Ecosysteem biosensortechnologie
Het ecosysteem voor de biosensortechnologie is complex en vereist dat diverse groepen samenwerken om voortdurend verder te kunnen blijven innoveren. Een overzicht van de belangrijkste spelers en beïnvloeders in de sector toont aan hoe belangrijk een gezamenlijk aanpak is met betrekking tot PoC-testen op basis van op PIC gebaseerde biosensoren.
Platformleverancier: Biedt een hardwareplatform (instrument & wegwerpartikel) dat de integratie van gestandaardiseerde assays mogelijk maakt, inclusief monstervoorbereiding en detectie.
Assayleverancier: Levert eigen assay (reagentia) en werkt samen met de platformleverancier om het assay te integreren op de hardware.
Producent van wegwerpartikelen: Combineert de elementen van de platformleverancier met de elementen van de assayleverancier. De optische biosensoren kunnen ook worden geleverd via de metaalgieterij.
Distributeur: Staat in contact met de eindgebruiker. Kan ook tevens de platform- of assayleverancier zijn.
Eindgebruiker: Iedere klant die het instrument bij de platformleverancier heeft gekocht
Overige leveranciers: leveren verpakkings-, assemblage- en testapparatuur; R&D diensten.
Vervolgstappen
Zelfs vóór corona bestond er al een omvangrijke, snelgroeiende markt voor PoC-testen met een groot aantal potentieel winstgevende combinaties van product/marktsegmenten. De belangrijkste groeisector is die van de complexe moleculaire diagnostiek, waarvoor goedkope wegwerp-biosensoren nodig zijn die snel resultaat leveren en die op grote schaal ingezet kunnen worden voor multiplex-testen. Een gezamenlijke aanpak, met name tussen diagnostische bedrijven en platformleveranciers, is essentieel voor het ontwikkelen van innovaties die wereldwijd toepasbaar zijn.
PhotonDelta heeft onlangs een roadmap gemaakt voor geïntegreerde fotonische biosensoren in samenwerking met artsen, de industrie en partners van het ecosysteem. De roadmap biedt een leidraad om de huidige activiteiten te versnellen naar een succesvolle commerciële toepassing.
Het lanceringsevenement vond plaats op 8 juli 2021 en werd live uitgezonden vanaf de High Tech Campus in Eindhoven. Bij het evenement waren verschillende belanghebbenden uit de sector aanwezig die actief hebben bijgedragen aan de routekaart.
Download de routekaart of bekijk de opname via deze link.
Bron: Wevolver