Szybka diagnostyka przesiewowa COVID-19

20.12.2021

Naukowcy z Politechniki Gdańskiej opracowali przenośne urządzenie do analizy próbek wydychanego powietrza pod kątem zakażenia wirusem SARS-CoV-2, które docelowo ma pozwolić na uzyskanie wyniku nawet w minutę, za symboliczną „złotówkę” i w sposób mniej kłopotliwy dla osoby badanej niż obecnie stosowane metody. Wynalazek, który został dostrzeżony przez amerykańskie media popularyzujące osiągnięcia naukowe, testują lekarze Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego, pracujący na co dzień w Uniwersyteckim Centrum Medycyny Morskiej i Tropikalnej w Gdyni.

– Nasza metoda nie jest tak dokładna jak stosowane obecnie testy, ale za to szybsza, znacznie tańsza i bardziej przyjemna dla badanego niż wymóg pobierania próbki z nosogardła. Dlatego sprawdzi się jako metoda skriningowa, czyli taka, która pozwala na wstępne wykrycie zakażenia i zalecenie dokładnego badania – podkreśla prof. Janusz Smulko, kierownik Katedry Metrologii i Optoelektroniki na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki PG. – Nie wykrywamy RNA wirusa, ale skutki jego działania w postaci uwalnianej z płuc mieszaniny lotnych związków organicznych (z ang. “Volatile Organic Compounds” – VOC), które powstają w wyniku zaburzonego metabolizmu spowodowanego przez infekcję. Tego typu systemy mogą być pomocne, szczególnie przy dalszym rozwoju pandemii, gdy przewiduje się, że choroba COVID-19 będzie miała charakter choroby sezonowej, a wczesne wykrycie pozwoli stosować odpowiednie leki, nie dopuszczając do postępu choroby i rozwoju groźnych powikłań.

Wynik nawet w minutę

Urządzenie jest proste w obsłudze, a procedura badania ogranicza się do naciśnięcia kilku przycisków.

– W przygotowanej wersji urządzenia pacjent dmucha do pojemnika (“BioVOCTM breath sampler”) z jednorazowym ustnikiem, przypominającego dużą strzykawkę specjalnego elementu wykorzystywanego w technice badania oddechów. Najważniejsza jest końcowa faza oddechu, w której występuje największe stężenie substancji VOC. Następnie urządzenie zasysa zawartość strzykawki do niewielkiej komory z czujnikami i rozpoczyna się analiza – tłumaczy dr inż. Andrzej Kwiatkowski z Katedry Metrologii i Optoelektroniki.

Obecnie wynik badania uzyskiwany jest w ciągu ok. 10 minut.

– Jest to jednak czas nadmiarowy. Podczas badań nad urządzeniem chcieliśmy, żeby wszystkie czujniki pomiarowe miały większą rezerwę czasu, niż jest to wymagane, na ustabilizowanie się warunków pracy. Szacujemy, że ten czas mógłby być krótszy, na poziomie jednej minuty – podkreśla dr inż. Kwiatkowski.

Między pomiarami następuje procedura samooczyszczenia urządzenia, aby pozbyć się pozostałości po wcześniejszych próbkach. Urządzenie zasilane jest z sieci, ale można je także zasilać np. z samochodu czy baterią oraz korzystać z bezprzewodowej transmisji danych.

Na bazie dostępnych i energooszczędnych czujników

Naukowcy bazowali na niewielkich rozmiarów czujnikach, dostępnych komercyjnie oraz prototypowych, rozwijanych w ramach prowadzonych równolegle innych projektów badawczych.

– Naszą ideą było przygotowanie czujników, które może nie są tak selektywne, ale są za to powszechnie dostępne i jednocześnie pobierają mniej energii, po to, by urządzenia można było instalować w wielu miejscach, także w krajach, gdzie ze względu na koszty nie ma możliwości prowadzenia szerokiej diagnostyki COVID-19 – mówi prof. Janusz Smulko.

W urządzeniu wykorzystano rozwiązania wypracowane w realizowanym kilka lat temu na PG unijnym projekcie badawczym TROPSENSE, dotyczącym diagnostyki chorób tropikalnych za pomocą wydychanego powietrza (denga, leiszmanioza, bąblowica).

Współpraca z lekarzami

W ramach projektu Szybka diagnostyka przesiewowa zakażeń SARS Cov-2 za pomocą badania wydychanego powietrza finansowanego przez Politechnikę Gdańską z programu Combating Coronavirus, naukowcy z PG współpracują z dr hab. n. med. Katarzyną Sikorską, prof. GUMed i lek. med. Sebastianem Borysem z Kliniki Chorób Tropikalnych i Pasożytniczych Uniwersyteckiego Centrum Medycy Morskiej i Tropikalnej w Gdyni, szpitala klinicznego Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego (od początku pandemii wywołanej wirusem SARS-CoV-2 UCMMiT jest kluczowym ośrodkiem na Pomorzu w walce z epidemią i pierwszym w pełni przygotowanym do sprawowania profesjonalnej opieki nad pacjentami zakażonymi koronawirusem).

Jak podkreśla prof. Katarzyna Sikorska, kierownik kliniki, metoda oparta o szybką analizę składu powietrza wydychanego omija przykre doznania, których doświadcza osoba badana, związane z prawidłowym pobraniem wymazu z nosogardła dla wykonania testu PCR lub testu antygenowego oraz pozwala na ekspresowe uzyskanie wyniku.

– Niektóre z opracowywanych technologii pozwalają na bezpośrednią detekcję wirusa. Inne, wykrywając zmiany składu powietrza wydychanego u osoby zakażonej, mogą służyć jako wstępny, szybki, łatwy do wykonania test przesiewowy, segregujący badanych – wyjaśnia prof. Katarzyna Sikorska. – Taka metoda może okazać się szczególnie przydatna tam, gdzie ważne jest, by zbadać dużą liczbę osób w krótkim czasie, np. w testowaniu pasażerów na lotniskach, gości w restauracjach, uczestników masowych wydarzeń kulturalnych, pracowników dużych zakładów przemysłowych, uczniów i studentów placówek edukacyjnych. Podobne urządzenie już wstępnie zatwierdzono do użycia wśród podróżnych w Singapurze oraz wykorzystywano w Holandii do testowania pracowników portowych.

Jak podkreślają naukowcy PG, badana metoda może stanowić ciekawą alternatywę dla wykorzystywanych obecnie rutynowych metod diagnostycznych, a łatwe do przeprowadzenia w różnych warunkach badanie wpisuje się w perspektywę rozwoju narzędzi do idealnego modelu testowania zakażenia SARS-CoV-2: szybkiego, masowego i niskokosztowego.

– Urządzenie jest w szpitalu i tam wykonywane są pomiary. Obecnie pracujemy nad końcowymi analizami wyników, które przedstawimy w formie publikacji, oraz dalszymi modyfikacjami urządzenia – mówi dr Kwiatkowski.

Rozwiązanie dostrzeżone za oceanem

Szczegółowe informacje dotyczące urządzenia, którego współautorką oprócz prof. Janusza Smulko i dr inż. Andrzeja Kwiatkowskiego jest mgr Katarzyna Drozdowska, zostały opisane w artykule Embedded gas sensing setup for air samples analysis.

Wynalazek z PG został dostrzeżony przez amerykańskie media popularyzujące osiągnięcia naukowe. Artykuł na ten temat ukazał się na portalu eurekalert.org.

fot. Krzysztof Krzempek/PG i Paweł Paszko/Action Studio