dr hab. Jacek Pniewski
Akademickie Centrum Kształcenia Optometrystów Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
Te zastosowania nie wyczerpują jednak potencjału soczewek kontaktowych i warto szerzej spojrzeć na najnowsze wyniki badań naukowych oraz osiągnięcia technologiczne poprzez pryzmat dwóch kluczowych pojęć –
na tyle świeżych, że nie mają dobrego tłumaczenia na język polski: wearables (urządzenia do noszenia, urządzenia „ubieralne”) oraz lab-on-a-chip (laboratorium na chipie).
Wearables
Wearables to miniaturowe urządzenia elektroniczne zaszyte w ubraniu lub w inny sposób związane z ciałem człowieka (np. przyklejone, przymocowane paskiem), które posiadają możliwości komunikacji bezprzewodowej, a jednocześnie monitorują parametry ciała lub środowiska, w którym się znajdują; mają one także możliwość wykonywania niewielkich działań. Przykładem tego typu urządzeń są m.in.:
- nowoczesne smartwatche i smartbandy, czyli zegarki wzbogacone w funkcje pomiaru pulsu, saturacji, liczenia kroków, a także np. wysłania sygnału alarmowego,
- inteligentne buty wyposażone w mikroukłady analizujące osiągnięcia sportowe,
- inteligentne koszulki z wbudowanymi układami zbierającymi dane z powierzchni skóry (skład potu, sygnały elektryczne, poziom mleczanów itp.),
- układy do realizacji płatności zbliżeniowych wszczepiane pod skórę,
- nowoczesne okulary z rejestratorami oraz rzeczywistością wirtualną i rozszerzoną (VR/AR).
Lista tego typu urządzeń stale się wydłuża.
Wearables są przykładem implementacji internetu rzeczy (ang. Internet of Things, IoT) z uwagi na możliwość autonomicznego działania. Mogą się one łączyć zarówno ze sobą, jak i z telefonem komórkowym użytkownika, a poprzez internet także z komputerami znajdującymi się w dowolnym miejscu na świecie. Rynek tych urządzeń dynamicznie się rozwija, a w proces ten zaangażowani są najwięksi producenci elektroniki oraz ubrań i butów.
Soczewki wyposażone w układy komunikujące
Soczewki kontaktowe wyposażone w układy komunikujące bardzo dobrze wpisują się w definicję urządzeń typu wearables. Możliwość monitorowania parametrów dostępnych na powierzchni oka oraz wykonywania założonych działań sprawia, że na soczewki nie należy patrzeć jak na niezależne czujniki, ale jako na elementy szerszego systemu monitorowania i podtrzymywania zdrowia, złożonego ze wszystkich wearables, w które dany człowiek jest wyposażony, oraz zarządzającego oprogramowania, w przyszłości opartego o sztuczną inteligencję, a w razie potrzeby współpracującego ze specjalistami. Jeśli dodamy do tego kolejne elementy wspomagające człowieka
(np. egzoszkielety), to otrzymamy wizerunek człowieka przyszłości, być może nieodległej.
Laboratorium chipowe
Z kolei laboratorium chipowe (mikrolaboratorium) to miniaturowe laboratorium analityczne o wielkości kilku milimetrów, które posiada kanaliki przepływowe oraz rozmaite czujniki. Przepływająca przez nie próbka cieczy wywołuje odpowiednie reakcje: biologiczne (np. immobilizacja cząsteczek wybranych substancji na sfunkcjonalizowanej powierzchni kanalika), chemiczne (np. zmiana barwy w wyniku reakcji) lub fizyczne (np. zmiana własności optycznych). Laboratorium może też zawierać mikroelementy elektromechaniczne, które dają możliwość sterowania przepływem cieczy, oraz układy fotoniczne. Laboratoria chipowe mogą analizować bardzo małe próbki, mierzone w pikolitrach. Wykrywają toksyny, drobnoustroje chorobotwórcze, a także rozmaite markery. Koncepcja ich budowy zakłada połączenie wielu różnych funkcji laboratoryjnych w jednym małym kawałku, zwanych chipem, możliwość umieszczenia w niemal dowolnym miejscu oraz – co jest niezwykle ważne – możliwość integracji z układami elektronicznymi. Mikrolaboratoria korzystają szeroko z osiągnięć nauki zwanej mikrofluidyką, która zajmuje się przepływami płynów w bardzo małej skali – tak małej, że część zjawisk, które normalnie obserwujemy w skali makro, nie zachodzi lub zachodzi zupełnie inaczej niż zwykle, a jednocześnie pojawiają się różne nowe zjawiska, związane np. z siłami kapilarnymi i specyficznymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi.
Czy soczewki kontaktowe mogą pełnić funkcje mikrolaboratorium? Absolutnie tak! Są już nawet pierwsze prototypy, których zadaniem jest analiza parametrów płynu łzowego lub innych parametrów stanu oka. Przyjrzyjmy się trzem wybranym propozycjom.
Soczewka monitorująca poziom kortyzolu
W 2020 r. zaproponowano soczewkę kontaktową, której zadaniem jest monitorowanie poziomu kortyzolu (DOI: 10.1126/sciadv.abb2891). Kortyzol jest nazywany hormonem stresu, ponieważ jest wydzielany przez nadnercza w wyniku stresu fizycznego lub psychicznego. Zarówno zbyt wysoki, jak i zbyt niski poziom tego hormonu jest szkodliwy i może wywołać szereg poważnych chorób. Poziom kortyzolu
stosunkowo łatwo można oznaczyć
np. w płynach fizjologicznych (krwi, ślinie, moczu, pocie), jednak stały monitoring tych płynów jest dość kłopotliwy, stąd pomysł na monitorowanie poziomu tego hormonu w płynie łzowym, jako relatywnie łatwo dostępnym do pomiaru. Głównym elementem detekcyjnym jest tranzystor grafenowy oparty o efekt polowy (ang. field-effect transistor, FET). Powierzchnia tranzystora została pokryta przeciwciałami monoklonalnymi skojarzonymi z kortyzolem w wyniku kilkuetapowego, wyrafinowanego procesu. W wyniku wiązania kortyzolu na powierzchni tranzystora zmieniają się parametry jego pracy, które są monitorowane z użyciem dodatkowej elektroniki zasilanej pasywnie. Prototyp był w stanie określić stężenie kortyzolu w zakresie 0–40 nanogramów na mililitr (ng/ml). Przeprowadzono serię testów in vitro, a także na królikach oraz ochotniczce.
W pracy użyto niestandardowej, hybrydowej soczewki kontaktowej, wykonanej z dwóch rodzajów materiału (cienki polimer optyczny SPC-414, EfiRON oraz Elastofilcon A, CooperVision), posiadającej zarówno strefy sztywne do instalacji komponentów, jak i miękkie – do nadania pożądanej elastyczności.
Soczewka umożliwiająca rejestrację sygnału elektrycznego
W 2021 r. ukazał się komunikat w czasopiśmie naukowym „Nature Communications”, w którym zaprezentowano soczewkę kontaktową umożliwiającą rejestrację sygnału elektrycznego – elektroretinogramu, ERG (DOI: 10.1038/s41467-021-21916-8). To rozwiązanie nie jest typowym mikrolaboratorium, jednak wykorzystuje wiele rozwiązań prosto z lab-on-a-chip. Sygnał elektroretinograficzny pozwala na wczesną diagnostykę chorób takich jak: jaskra, barwnikowe zapalenie lub odwarstwienie siatkówki, retinopatia cukrzycowa i inne zwyrodnienia. Autorzy zaproponowali sensor, który można zamontować w wielu komercyjnie dostępnych soczewkach kontaktowych, zachowując ich podstawowe cechy, takie jak: wysoka tlenoprzepuszczalność i uwodnienie, przejrzystość czy możliwość dobrego dopasowania w przypadku dużego procenta użytkowników. Soczewka – w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami ERG opartymi o elektrody – zapewnia znacznie większą stabilność i bezpieczeństwo użytkowania. W obecnej wersji urządzenie wykorzystuje połączenie (zasilanie i komunikacja) poprzez przewód, ale nic nie stoi na przeszkodzie, by w kolejnej wersji pojawiły się zasilanie pasywne i komunikacja bezprzewodowa. Soczewkę wszechstronnie przeanalizowano i wykonano testy na ochotnikach, uzyskując lepsze rezultaty niż w klasycznym badaniu z użyciem elektrody według standardu ISCEV (International Society for Clinical Electrophysiology of Vision).
Soczewka zdolna do detekcji egzosomów
W 2022 r. opublikowano wyniki prac amerykańskiego zespołu poświęconych soczewce kontaktowej zdolnej do detekcji egzosomów, czyli pęcherzyków błonowych wydzielanych przez komórki eukariotyczne, obecnych m.in. w procesie przerzutów chorób nowotworowych (DOI: 10.1002/adfm.202206620). W prototypie soczewki, bazującym na materiale hydrożelowym pHEMA (z dodatkiem substancji wiążących), wytworzono z użyciem lasera mikrokomory o średnicy 3 mm i głębokości 50 mikrometrów w obszarze peryferyjnym soczewki. Powierzchnia komór została sfunkcjonalizowana z użyciem przeciwciał mających powinowactwo do odpowiednich antygenów wychwytywanych z płynu łzowego. Przeciwciała zostały dodatkowo zmodyfikowane w taki sposób, by przyłączyć do nich nanocząstki – nanosfery wykonane ze złota (AuNP), często wykorzystywane w zaawansowanej preparatyce. AuNP mają pewną szczególną cechę – ich oświetlenie powoduje powstanie na ich powierzchni tzw. plazmonów, czyli oscylacji fali elektromagnetycznej, której częstotliwość zależy od geometrycznych cech tych nanosfer (średnica w największym stopniu decyduje o częstotliwości i absorpcji danej fali świetlnej). W efekcie przezroczysty materiał nabiera barwy. Im więcej egzosomów zostaje wychwyconych, tym bardziej intensywna jest barwa soczewek. Cały proces jest bardzo zaawansowany technologicznie i zawiera znacznie więcej etapów niż opisane skrótowo powyżej. Przeprowadzono też wstępne testy, które wskazują na biokompatybilność soczewki.
Jak widać z przedstawionych przykładów, inteligentne soczewki kontaktowe do zastosowań medycznych przekroczyły pewną masę krytyczną i mam nadzieję, że kwestią czasu jest wprowadzenie na rynek rozwiązań komercyjnych. Opisane przykłady nie wyczerpują listy opublikowanych prototypów mikrolaboratoriów, których jest na tyle dużo, że pojawił się już podział na sensory: elektrochemiczne, kolorymetryczne, fluorescencyjne i oparte o kryształy fotoniczne.
Pojawiają się też zupełnie nowe pojęcia, jak np. nanomedycyna oczna, czyli medycyna wykorzystująca syntetyczne nanomateriały organiczne (w tym nanocząstki na bazie lipidów, dendrymerów, miceli polimerowych, poliestrów i naturalnych biopolimerów), nanomateriały nieorganiczne (np. nanocząstki tlenków metali, kropki kwantowe, nanocząstki węglowe i krzemionkowe) oraz biologiczne składniki biomolekuł (np. egzosomów). Niewątpliwie warto patrzeć na tę dziedzinę badań naukowych i śledzić rozwój rynku. Czytelników głębiej zainteresowanych tą tematyką zachęcam do lektury artykułów przeglądowych: 10.1002/admt.202201185, 10.1002/adma.202108389, 10.1002/advs.202003699
