DL: Lab-on-a-chip Biophotonic Sensor Platform for Diagnostics

En liten og rask lab-on-a-chip (LOC) biofotonisk plattform har blitt utviklet. Raskere og mer tilgjengelige analyser av prøver fra blod, plasma og urin kan gi sikker diagnose på et tidlig stadium og øke sjansen for å bli helt frisk igjen. Prosjektet er finansiert av Forskningsrådet og ledet av professor Astrid Aksnes ved Institutt for elektroniske systemer, NTNU. Prosjektet kombinerer forskningsinnsats i ulike fagfelt som nanofotonikk, mikro-/ nanofluidikk, overflatemodifikasjon, biokjemi, og immunologi. Teamet består av høyt kvalifiserte forskere fra NTNU og SINTEF. Det jobbes med å utvikle et knøttlite laboratorium som kan analysere innholdet i pasientprøver raskt og nøyaktig. Brikken som inneholder sensorene, er omtrent 1 kvadratmillimeter. Små mengder væske blir transportert til sensorene vha mikrofluidiske kanaler. Det er påført et tynt lag materiale som spesifikke biomarkører fester seg til på sensoroverflaten, såkalt overflatefunksjonalisering. Ved å endre på overflatefunksjonaliseringen kan konsentrasjonen av ulike biomarkører måles. Instrumentet vil egne seg for tidlig diagnose av infeksjonssykdommer og potensielt til kreftdiagnose. Tidlig identifisering og kvantifisering av biomarkørene for de ulike sykdommene er avgjørende for god behandling. Målet er å videreutvikle teknologien fra labprototyper til en miniatyrisert LOC sensorplattform med potensial for masseproduksjon. Multiple kanaler har blitt fremstilt på samme chip og forskjellige konsentrasjoner har blitt målt i de ulike kanalene. To nye sensordesign har blitt utviklet som har forbedret deteksjonsgrensen (limit-of-detection, LOD) slik at vi kan måle størrelsesorden µg-ng/ml. Ulike fysiologiske konsentrasjoner av biomarkøren C-reaktivt protein (CRP) har blitt målt og den spesifiserte deteksjonsgrensen oppnådd (<5 ug/ml). I tillegg har Cod-Vtg blitt målt med deteksjonsgrense på ca. 100 ng/ml. Ett av sensordesignene tillater multipleksing av flere sensorer på en kanal ved å generere en unik signatur for hver sensor, det har blitt søkt patent på dette designet. Passive miksere har blitt integrert i de mikrofluidiske kanalene for mer effektivt å transportere biomarkørene ned på overflaten av sensorene. Miksingeffektiviteten av ulike passive mikserdesign har blitt simulert og målt. Prosesser for PDMS- og Ostemerbasert mikrofluidikk har blitt utviklet. Ostemerbasert mikrofluidikk kan kombinere integrasjon av nanofluidiske mønster i kanalene samtidig som det ivaretar biokompatibel bonding med sensorbrikken.

Resultatene er interessante for sensorindustrien når det gjelder bedre deteksjonsgrense, større måleområde, multipleksing av sensorer, prosesser for fremstilling av mikro/nanofluidikken, og effektiv blanding og massetransport. - 2 sensordesign som forbedrer deteksjonsgrensen ble utviklet. Det ene, Mach-Zehnder assistert ring resonator konfigurasjon (MARC) kan realisere transmisjonsspekter med unike spektralsignaturer og signifikant større effektivt fritt spektralområde sammenlignet med konvensjonelle RR. Det ble søkt patent på MARC prinsippet i mars 2020. - Prosesser for fremstilling av OSTE (off-stoichiometry thiol-enes) mikro/nanofluidikk har blitt utviklet. OSTE er et lovende materiale for mikro/nanofluidikken for oppskalering. - Effektiv blanding og massetransport ble oppnådd ved hjelp av buede passive blandestrukturer. Disse er mer robuste for å oppnå effektiv prøvehomogenisering enn den kjente fiskebeinstrukturen mht variasjon i parameterne til blandestrukturene.

The ultimate goal of this project is to develop a generic lab-on-a-chip (LOC) label-free biophotonic sensor platform capable of performing highly sensitive and selective multiplexed quantitative diagnostic tests. By modifying the surface functionalization of the multiplexed photonic sensing elements, different biomarkers can be detected in parallel with ng/ml - pg/ml limit of detection (LOD). This enables numerous biomedical applications such as diagnosis of cancer and infectious diseases (e.g HIV and tuberculosis). This proposal combines research efforts in bioengineering, nanofluidics, and nano-photonics to achieve progress beyond the state-of-the-art pushing technology from the lab bench towards a miniaturized LOC sensor platform with potential for mass production. The innovative design of the separately biofunctionalized photonic crystal sensing elements integrated with nanofluidic circuits allows arrays of sensors on a millimeter squared-sized chip to be analyzed in <20 min. In our choice of biomarkers for the demonstrator, we take advantage of our expertise in immunology and inflammation at St Olavs University Hospital and NTNU. Our demonstrator will include three target biomarkers: Lipocalin 2 (LCN2), c-reactive protein (CRP), and tumour necrosis factor (TNF). CRP is a well-characterized and established biomarker in clinical use and will be used to qualify the performance of the biophotonic sensor platform. TNF is an established marker relevant for monitoring certain inflammatory diseases and also for inflammation research purposes. LCN2 is an antibacterial protein with potential as inflammatory biomarker. LCN2 can be measured in blood serum or plasma, in feces and in urine, and it is currently under development for potential use as a diagnostic marker for kidney failure.