Kirjoittanut Monica Heck, IEC e-tech issue 3/2025. Suomennos Ari Honkala, SESKO ry
Bio-digitaalinen konvergenssi on käsillä kaksi vuosikymmentä sen jälkeen, kun sitä ensimmäisen kerran ennustettiin, ja biologian ja digitaalisen teknologian yhdistyminen kiihtyy genomiikan, tekoälyn ja kvanttipohjaisen salauksen kehityksen ansiosta.
Nykyään voimme tallentaa tietoa DNA:han digitaalisen vuorovaikutuksen avulla. Ihmisaivoihin istutettu teknologia voi auttaa vakavista selkäydinvammoista kärsineitä kävelemään uudelleen, ja pian saattaa olla mahdollista palauttaa näkö heille, jotka ovat sen menettäneet. Samaan aikaan kaikenlaisia biosensoreita on tulossa auttamaan ihmiskuntaa torjumaan sairauksia ja lukuisia ympäristöhaasteita.
Biosensoreita on ollut olemassa jo vuosikymmeniä. Ne ovat laitteita, jotka pystyvät havaitsemaan biologisen näytteen, kuten biomolekyylin, biologisen rakenteen tai mikro-organismin, läsnäolon tai pitoisuuden. Tunnetuimpia sovelluksia ovat lateraalivirtaustestit, jotka tunnetaan myös pikatesteinä, kuten kotiraskaustestit ja jatkuvatoimiset glukoosimonitorit diabeteksen hallintaan.
Biosensorit hoitopisteissä, kypsät markkinat
Biosensorit ovat vakiintuneita lääketieteen alalla hoitopistetestauksessa ja pikadiagnostiikassa. Tämän tyyppisten laitteiden valmistus skaalautui nopeasti COVID-pandemian aikana, jolloin myös genomipohjainen biosensori kaupallistettiin DNA-sekvensoinnin avulla. Se toimii rinnakkain polymeraasiketjureaktion kanssa ja perustuu DNA:n entsymaattiseen replikaatioon.
Uutistoimisto SNS Insiderin mukaan maailmanlaajuisten hoitopistediagnostiikkamarkkinoiden odotetaan kasvavan 91,47 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2032 mennessä, kun taas hoitopistebiosensorien markkinoiden odotetaan kasvavan 29,5 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2032 mennessä. Kasvua vauhdittavat kehittyneiden maiden väestön ikääntyminen ja istumatyö, kehitysmaiden väestönkasvu ja ilmastonmuutokseen liittyvät epidemia-aallot.
Nämä terveydenhuollon vaatimukset siirtävät diagnostiikkaa laboratorioista suoraan hoitopisteeseen. Vaikka biosensoriteknologiat hoitopisteessä ovat saavuttaneet kypsyyden, niitä haittaavat edelleen puutteet lukemien tarkkuudessa, sekä bioreseptorien herkkyys ja spesifisyys. Biosensorien pienentyessä niiden pienentäminen laboratoriotason laadusta tinkimättä on edelleen haaste.
Uusia suuntia: in vivo -biosensorit
Tutkijat tutkivat myös in vivo – eli implantoitujen biosensorien potentiaalia ja niiden rajoituksia, kuten hylkimistä, invasiivisia toimenpiteitä ja etiikkaa. Harvardin yliopiston tiimi julkisti hiljattain uuden pinnoitteen implantoitaville laitteille. Pinnoite estää bakteerien, solujen ja muiden bionesteiden aiheuttaman biolikaantumisen sensorin pinnalla, mikä vähentää toimintahäiriöiden ja vierasesine-reaktioiden tai hylkimisen riskiä.
Pekingiläinen tiimi ilmoitti hiljattain kehittävänsä epidermaalisen seriiniä tunnistavan laastarin, joka mahdollistaa epidermaalisen seriinin suoran näytteenoton ja kvantifioinnin atooppisen dermatiitin seurannassa.
Kanadalainen startup-yritys puolestaan kehittää reaaliaikaisen kaliumin seurantaa sydän- ja munuaissairauksien hallinnan parantamiseksi.
Yhdysvalloissa taas on käynnissä tutkimus tekoälypohjaisesta biosensoritekniikasta mielenterveyden seurannassa.
Biosensorien tulevaisuus
Sveitsissä proteomiikka, proteiinien ja niiden toiminnan laajamittainen tutkimus, kiehtoo asiantuntijoita, kuten tohtori Til Schlotteria. ”Yksittäismolekyylianalyysi on biosensorien tulevaisuus”, sanoo Schlotter, joka on ETH Zürichissä toimivan teknologia-startup-yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja. ”Proteiinit ovat minkä tahansa biologisen järjestelmän työjuhtia; kaikki kehosi kommunikaatio toimii proteiinien kanssa, mutta niitä ei voida vielä analysoida yksittäisen molekyylin tasolla. Tavoitteenamme on tuoda yksittäisen molekyylin proteiinianalyysi markkinoille, mitä kukaan ei vielä osaa.” Tämä hyödyttäisi paitsi lääkekehitystä myös elintarvikkeiden saastumisanalyysiä, kasvitekniikkaa ja jopa maan ulkopuolisia löytöjä.
SNS:n mukaan biosensorimarkkinoiden kokonaiskoon odotetaan nousevan 56,54 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2032 mennessä, ja vaikka monet terveydenhuollon ulkopuoliset sovellukset ovat vielä tutkimusvaiheessa, ne ovat hyvin lupaavia, erityisesti veden laadun havaitsemisessa. Per- ja polyfluorialkyyliyhdisteiden (PFAS) vaarat juomavedessä tunnustetaan maailmanlaajuisesti, ja niihin puututaan kehittämällä geneettisesti koodattuja biosensoreita. Kiinalaisen Qingdaon yliopiston tiimi on myös kehittänyt omavoimaisen, kolmikomponenttisen biosensorin, joka voi tehdä vedestä turvallista juoda kehitysmaissa.
Ympäristö-DNA:n (eDNA) havaitsemiseen tarkoitetut kannettavat biosensorit voivat tukea merien suojelua koralliriuttojen terveyttä seuraamalla, kun taas in vivo -biosensorit voivat auttaa seuraamaan hermostollista toimintaa, kuten unta, eläimillä niiden luonnollisessa ympäristössä.
Myös mikrobibiosensorit, kuten E. coli, ovat lupaavia. E. colin biokemiallista vastetta on käytetty raskasmetallien esiintymisen havaitsemiseen vedessä, ja äskettäin tanskalainen, saksalainen ja israelilainen tutkimusryhmä loi E. coli -kannan, jota käytetään kasviplanktonkukintojen havaitsemiseen niiden vapauttaman glykolaatin avulla. Nämä mikrobibiosensorit mahdollistavat myös synteettisten CO₂-sidontareittien sekä hiilen sidonnan keskeisten entsyymien havaitsemisen, jotka ovat kriittisiä 1-hiili biovalmistussovelluksille, tutkija Enrico Orsin mukaan.
”Sensorimme mahdollistavat entsyymien testaamisen solun sisällä”, Orsi sanoo. ”Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun bakteereja käytetään biosensoreina, mutta keskitymme erityiseen biosensorityyppiin, joka ei voi kasvaa, ellei kiinnostuksen kohteena olevaa molekyyliä ole läsnä.”
IEC-standardit biosensoreille ja niiden kehitys
IEC 60747-18 -standardisarja tarjoaa referenssimittausprotokollia jokaiselle vaiheelle, jossa biologinen signaali muunnetaan digitaaliseksi tiedoksi. Mahdollistamalla kalibroinnin ja mahdollisten poikkeamien arvioinnin jokaisessa vaiheessa näiden standardien tavoitteena on tukea erittäin yhdenmukaisten ja luotettavien biosensorien laajaa käyttöönottoa.
JongMuk Lee, biosensoriasiantuntija IEC:n teknisessä komiteassa IEC TC 47, joka julkaisee antureita koskevia standardeja, ja biotekniikkayrityksen SOL Inc:n toimitusjohtaja, selittää, että IEC 60747-18 -sarja määrittelee arviointi- ja testausmenetelmät erityisesti linssittömille CMOS-fotonimatriisi-antureille (CPAS) ja käsittelee erilaisia suorituskykyominaisuuksia. Linssittömät CPAS-anturit, jotka eroavat merkittävästi perinteisissä kameroissa käytetyistä CMOS-kuvasensoreista, ovat keskeinen osa lupaavaa korkean resoluution teknologiaa, jota kutsutaan linssittömiksi digitaalisiksi linjaholografisiksi mikroskopiajärjestelmiksi (DIHM). Nämä järjestelmät sopivat ihanteellisesti kuvapohjaiseen analyysiin ja hoitopistediagnostiikkaan resurssirajoitteisissa ympäristöissä niiden kannettavuuden ja alhaisten valmistuskustannusten ansiosta.
”Linssittömässä CPAS-järjestelmässä biologiset näytteet sijoitetaan suoraan pikselirivin yläpuolelle tai biologiset reaktiot tapahtuvat suoraan sen päällä”, Lee selittää. ”Koska pikselien mitat voivat olla suurempia tai pienempiä kuin biologisten kohteiden, kuten solujen, bakteerien, proteiinien tai DNA:n mitat, on erittäin tärkeää varmistaa, että anturi pystyy luotettavasti tallentamaan vuorovaikutukset yksittäisen pikselin tasolla.”
Leen mukaan TC 47 aikoo jatkaa IEC 60747-18 -sarjan laajentamista. ”Bioteknologisten kokeiden ja lääketutkimuksen yleistyessä avaruudessa kasvaa myös tarve arvioida linssittömien CPAS-järjestelmien suorituskykyä maan ulkopuolisissa olosuhteissa”, hän sanoo. ”Tällaisten käyttötapausten standardeja harkitaan parhaillaan.”
Ja koska tietoturva on kriittisen tärkeää biolääketieteellisissä ja terveydenhuollon sovelluksissa, CPAS-järjestelmään itseensä voidaan integroida salausominaisuuksia, kuten kvanttisatunnaislukugeneraattori (QRNG tai QRBG). ”Tulevaisuuden standardit voivat käsitellä kryptografisen logiikan tai jopa tekoälymallien sisällyttämistä suoraan anturilaitteistoon”, Lee toteaa.
Lisää suosikiksi