SensUs: Studenten strijden met innovatieve biosensoren voor een betere gezondheidszorg

In de klinische chemie worden biochemische en moleculaire metingen gebruikt voor het screenen, diagnosticeren, en monitoren van patiënten. Met behulp van deze tests kan er op moleculaire schaal een beeld geschetst worden van de biochemische huishouding van de patiënt. Wanneer een ziekte of infectie zich op een veel eerdere tijdschaal ontwikkelt dan dat fysieke klachten zich voordoen, kan dit mogelijk wel al vroegtijdig gedetecteerd worden op biochemisch niveau. Denk bijvoorbeeld aan het meten van micro-organismen (virus of bacterie) of aan de PSA‑screeningstest (PSA = prostate specific antigen) voor het vroeg detecteren van prostaatkanker. Daarnaast kunnen dergelijke metingen gebruikt worden om een behandeling en het beloop van de ziekte te monitoren.

Door de jaren heen zijn biosensoren, de apparatuur waarmee biochemische concentratiebepalingen uitgevoerd worden, compacter en sneller geworden. Zogenaamde point‑of‑care (POC) biosensoren voor bijvoorbeeld C-reactief proteïne (infectieziekten) en troponine (hartinfarct) zijn inmiddels al beschikbaar, waarmee een arts of verpleegkundige snel een concentratiebepaling kan uitvoeren. Op deze wijze kan de behandelaar direct een besluit nemen en wordt voorkomen dat tijd verloren gaat aan monstertransport en series van handelingen in een klinisch laboratorium. Echter is de beschikbaarheid van POC biosensoren nog beperkt. Voor veel biomoleculaire markers zijn de metingen namelijk niet snel genoeg, niet accuraat genoeg voor lage concentraties (pico‑ tot nanomolair), niet makkelijk genoeg, of niet kosteneffectief genoeg.

Om de ontwikkeling van POC biosensoren te stimuleren, is vanuit de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) de SensUs studentencompetitie opgericht. Multidisciplinaire studententeams uit de hele wereld worden hierbij uitgedaagd om binnen een jaar een innovatieve biosensor te ontwikkelen. Elk jaar staat een ander maatschappelijk relevante ziekte en bijbehorende biomarker centraal, waarvoor de studenten een biosensor moeten ontwikkelen. Zo is er in vorige edities gekeken naar nierfalen (creatinine), hartfalen (NT‑proBNP), therapeutische drug monitoring voor reuma (adalimumab/Humira) en epilepsie (valproïnezuur), vorig jaar het griepvirus (Influenza A), en dit jaar acute inflammatie (IL-6). Elk jaar zijn de criteria grofweg hetzelfde: het bouwen van een compacte biosensor (formaat schoenendoos) waarmee binnen minuten een accurate concentratiebepaling gedaan kan worden in een lichaamsvloeistof zoals bloed(plasma). Liefst met zo min mogelijk monsterpreparatiestappen en een zo hoog mogelijke gebruiksvriendelijkheid; het moet immers te gebruiken zijn bij de huisarts of door de patiënt zelf. Om te bepalen welk team de beste biosensor heeft gemaakt, reizen alle studenten naar Eindhoven om daar met hun biosensor realistische monsters te meten en hun innovaties te tonen aan de jury en het publiek.

Het maken van de meest accurate biosensor is echter niet het enige doel van de competitie. Om innovatie te bevorderen worden studenten aangemoedigd om met het meest creatieve biosensor concept te komen. Er kunnen namelijk talloze keuzes gemaakt worden: denk aan hoe het monster binnen de biosensor wordt behandeld (microfluïdische circuits, lateral flow assay), hoe het signaal wordt gegenereerd (fluorescente of electrochemische detectie) en hoe het meetresultaat wordt afgelezen (handheld device of smartphone). Tevens worden studenten gestimuleerd om na te denken over de toepasbaarheid van hun biosensor in de maatschappij. Het is namelijk niet triviaal om een nieuwe technologie te vertalen van de academische wereld naar de industrie en de gezondheidszorg, laat staan om er een commercieel succes van te maken. Vanuit SensUs krijgen de teams daarom een training in entrepeneurship, en worden bedrijven en patiëntenorganisaties betrokken bij de competitie. Na marktonderzoek en gesprekken met experts maken de teams een plan hoe hun biosensor naar de maatschappij gebracht zou kunnen worden.

De biomarker die in SensUs 2022 centraal staat is interleukine-6 (IL-6). IL-6 is een biomarker voor het detecteren van acute inflammatie, zoals in het geval van sepsis. Sepsis of bloedvergiftiging is een complex en levensbedreigend ziektebeeld dat wordt gekenmerkt door orgaanschade veroorzaakt door een ontregelde immuunrespons op een infectie. Tijd is hierbij essentieel: ernstige symptomen kunnen zich op een tijdschaal van uren ontwikkelen en de kans op overleving ernstig verlagen. Een POC biosensor voor een biomarker van sepsis zou bij kunnen dragen aan een vroege detectie op de Intensive Care of bij de huisarts, en dus een snellere behandeling van het ziektebeeld.

Dit jaar doen 17 teams mee uit Noord-Amerika, Azië, Afrika en Europa. Vanuit de TU/e doet studententeam T.E.S.T. mee, dat vooral bestaat uit bachelor- en masterstudenten van de studierichting Biomedische Technologie. Hun meetmethode voor dit jaar berust op het gebruik van magnetische microdeeltjes die te manipuleren zijn met een extern magnetisch veld. Voor de specifieke herkenning van IL-6 wordt er gebruik gemaakt van antilichamen die zowel op de deeltjes als op de sensoroppervlakte geplaatst zijn. De deeltjes zijn voorzien van een grote hoeveelheid fluoroforen, waardoor deeltjes te herkennen zijn aan een verhoging in het gemeten fluorescente signaal. Het gebruik van de microdeeltjes heeft twee voordelen. Ten eerste kunnen de deeltjes met magneetvelden worden gemanipuleerd om de test te versnellen en nauwkeuriger te maken. Deeltjes kunnen namelijk naar de sensoroppervlakte getrokken worden en niet-gebonden deeltjes (die een niet-specifiek signaal veroorzaken) kunnen magnetisch weggehaald worden. Ten tweede zijn de deeltjes makkelijk te detecteren door het fluorescente signaal, wat een hoge gevoeligheid kan geven. Zo werkt het team aan de drie belangrijkste criteria van een effectieve POC biosensor: snelheid, nauwkeurigheid en gevoeligheid.

Het sensorconcept waaraan T.E.S.T. werkt is slechts één van de vele voorbeelden binnen de competitie, aangezien ieder team vrij is om zijn eigen meettechniek te kiezen. Dat illustreert de kracht van SensUs: het biedt beginnende onderzoekers een platform om met nieuwe biosensor-ideeën te komen, die binnen het SensUs‑traject – na vele discussies en feedbackmomenten met experts – tot realistische innovaties kunnen worden ontwikkeld. De complexiteit van het idee van T.E.S.T. laat zien dat het ontwerpen en ontwikkelen van een biosensor geen gesneden koek is. De studenten worden uitgedaagd om zich te verdiepen in de fysica, chemie, elektrotechniek en biomedische technologie om een succesvol prototype te creëren. Ze moeten keuzes maken om de betrouwbaarheid van de sensor te waarborgen, terwijl de gebruiksvriendelijkheid en toepasbaarheid niet uit het oog verloren mogen worden. SensUs fungeert hiermee dus als een broedmachine, waarbij ideeën niet alleen wetenschappelijk interessant blijven, maar ook maatschappelijk relevant en toepasbaar. Op deze manier worden concrete stappen gezet richting de gepersonaliseerde gezondheidszorg van de toekomst.