Dwa urządzenia opracowywane przez firmę Scope Fluidics, start-up stworzony przez laureata programów FNP prof. Piotra Garsteckiego, dają szansę na błyskawiczne diagnozowanie groźnych dla ludzi patogenów i szybką identyfikację właściwej terapii antybiotykowej. Pierwsze z tych urządzeń znalazło już kupca: amerykańska firma nabyła do niego prawa za 170 mln dol. Prace badawcze leżące u podłoża tych rozwiązań były współfinansowane m.in. z Funduszy Europejskich przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.
– W nauce przepiękny jest spokój i wolność. Swoboda w formułowaniu pytań i wybieraniu tego, czym się zajmujemy. W biznesie wspaniała jest realność wyniku, ale też to, że można pracować intensywniej z większymi zasobami i większymi zespołami. W nauce praca w zespole 70-osobowym skoncentrowanym na jednym celu zdarza się niezwykle rzadko – tak prof. Piotr Garstecki opisuje różnice między światem nauki i twardego biznesu. Oba zna dobrze.
Prof. Garstecki, badacz z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, po stażu podoktorskim na Uniwersytecie Harvarda (realizowanym w ramach programu KOLUMB FNP), to wybitny specjalista od zautomatyzowanych technik mikroprzepływowych, stosowanych w nowoczesnych systemach analitycznych w diagnostyce, biochemii i mikrobiologii. Był laureatem szeregu prestiżowych nagród i grantów, a także programów realizowanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej (poza KOLUMBem także MISTRZ, Idee dla Polski), a także programów współfinansowanych z Funduszy Europejskich (POWROTY/HOMING, TEAM POIG i TEAM-TECH POIR). Zdobył również granty finansowane zarówno przez European Research Council, jak i przez European Innovation Council. Jest współautorem ponad stu zgłoszeń patentowych. Dziś stoi na czele Scope Fluidics SA- spółki, która była jednym z pierwszych uczelnianych spin-offów Instytutu Chemii Fizycznej PAN.
Szybko i szeroko
Scope Fluidics jest flagowym przykładem tego, że przełomowe rozwiązania mogą powstawać w oparciu o badana naukowe prowadzone nad Wisłą. Opracowane przez nią urządzenie PCR|ONE niebywale przyspiesza proces wykrywania bakterii i wirusów. Urządzenie wielkości mikrofalówki pozwala wykryć np. obecność wirusa SARS-CoV-2 w organizmie. Testy genetyczne, które w innych przypadkach wymagają od 24 do 72 godzin oczekiwania na wynik, dzięki PCR|ONE trwają zaledwie 20 minut. A to tylko jedna z możliwości, jakie daje opracowany w Polsce aparat.
– W pytaniu ?czy mam COVID?? ukryta jest hipoteza. Zweryfikowanie, czy objawy są wywołane przez wirusa SARS-CoV-2 jest łatwe. Jeśli jednak widzę człowieka, który jest przeziębiony i chciałbym wiedzieć, co właściwie mu jest, muszę sprawdzić wiele możliwości – tłumaczy prof. Garstecki. To właśnie jedna z największych zalet opracowanego przez niego urządzenia. W przeciwieństwie do poprzednich generacji takich maszyn, które były drogie w użyciu i w optymalnych warunkach mogły poszukiwać w próbce najwyżej 4-5 patogenów, PCR|ONE jest w stanie niewielkim kosztem i w błyskawicznym tempie wyszukiwać w próbce genetycznych tropów pozostawionych przez nawet 20 różnych bakterii czy wirusów.
– Historia zaczęła się jeszcze w 1993 r., kiedy Kary Mullis i Michael Smith otrzymali Nagrodę Nobla za dopracowanie reakcji PCR – łańcuchowej reakcji polimerazy – która pozwala namnożyć w lawinowym tempie konkretny fragment DNA – tłumaczy prof. Garstecki.
Namnożyć, żeby zbadać
Reakcja ta pozwala na szybkie tworzenie milionów kopii określonej próbki DNA. W praktyce oznacza to, że jeśli w danej próbce znajduje się poszukiwany przez badaczy fragment kodu genetycznego, na przykład stanowiący fragment genetycznego ?odcisku palca? wirusa czy bakterii, reakcja namnaża go szybko i pozwala na łatwe rozpoznanie go. To bezcenne nie tylko w medycynie – systemy PCR stosowane są także w laboratoriach biochemicznych oraz na przykład w kryminalistyce.
W ciągu 30 lat od przyznania wynalazcom nagrody Nobla, rynek laboratoryjnych rozwiązań opartych na ich pomyśle gwałtownie się rozwinął. W 2021 r., w znacznym stopniu dzięki rosnącemu zapotrzebowaniu na genetyczne testy na COVID-19, osiągnął – wedle szacunków firmy Grand View Research – globalną wartość 37,3 mld dol. – COVID odegrał tu dużą rolę, bo przekonał ludzi do korzyści płynących z tych technologii. Przyspieszył proces ich wdrażania, bo ich znaczenie dostrzegło wiele instytucji i osób – tłumaczy chemik. – Nagle okazało się, że między czekaniem na wynik przez godzinę a czekaniem przez dobę, jest kolosalna różnica.
Nowoczesne systemy, takie jak PCR|ONE dają szansę na prowadzenie precyzyjnych, genetycznych badań przesiewowych nie tylko w szpitalach posiadających własne laboratoria, ale także na przykład na lotniskach. Urządzenie, którego opracowanie kosztowało około 10 mln dol., pozwala wykonać w ciągu kilkudziesięciu minut test w miejscu pobrania próbki, a jego multipleksowość umożliwia odróżnienie od siebie zakażeń o podobnych objawach – na przykład COVID-19 i grypy. Oznacza to, że może stanowić kluczowy element w strategii powstrzymywania kolejnych pandemii.
Co ważne, stworzony w Warszawie system diagnostyki molekularnej uzyskał już dopuszczenie do rynku dla dwóch testów – jednego wykrywającego gronkowca złocistego i jego antybiotykooporne warianty, i drugiego wykrywającego wirus SARS-CoV-2. System został przez polski zespół dopracowany pod kątem wdrożenia produkcji wielkoskalowej. To sprawiło, że amerykańska firma Bio-Rad zdecydowała się zapłacić za technologię stworzoną przez Scope Fluidics aż 170 mln dol. Bio-Rad to jeden z czołowych światowych producentów specjalistycznej aparatury badawczej oraz technologii diagnostycznych. Giełdowa wartość spółki przekracza 12 mld dolarów, a ona sama jest na liście Fortune 500, na którą trafiają największe amerykańskie firmy.
Bio-Rad kupiło od Polaków technologię, a warszawski zespół sprzedanej firmy Curiosity Diagnostics będzie kontynuował pracę nad rozwojem portfolio produktów PCR|ONE. Z kolei Scope Fluidics skupi się teraz na rozwoju swojej kolejnej technologii – Bacteromic – która ma pomóc rozwiązać problem antybiotykoopornych zakażeń. Dodatkowo Scope Fluidics planuje opracowanie nowej gamy wynalazków, które następnie w odpowiednim momencie mają być sprzedawane globalnym gigantom, którzy mają odpowiednie środki do wprowadzenia ich na światowe rynki na wielką skalę.
– To wymagało szeregu rzeczy, które wcale nie przyszły nam łatwo. Budowaliśmy od początku nasze know-how i widzimy teraz, jak ono procentuje w kolejnym projekcie – wyjaśnia założyciel Scope Fluidics. Nowy projekt prowadzony jest szybciej, bo organizacja korzysta już z organizacyjnego doświadczenia, dotyczącego zwłaszcza wszystkich aspektów przemysłowych.
Nadchodząca globalna fala
Ten drugi projekt dotyka innego, szybko nasilającego się, globalnego problemu, uznanego przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) za jedno z 10 największych zagrożeń dla ludzkiego zdrowia w XXI w. – coraz większej powszechności tzw. antybiotykooporności, czyli pojawiania się szczepów bakterii, które w drodze przyspieszonej działaniami człowieka ewolucji nauczyły się tolerować leki stosowane do ich zwalczania.
W przypadku typowych infekcji bakteryjnych, w tym infekcji dróg moczowych, posocznicy, infekcji przenoszonych drogą płciową i niektórych postaci biegunki, na całym świecie zaobserwowano wysoki wskaźnik oporności na antybiotyki często stosowane w leczeniu tych infekcji. Na przykład wskaźnik oporności na cyprofloksacynę, antybiotyk powszechnie używany podczas leczenia zakażeń dróg moczowych, wahał się od 8,4 do 92,9 proc. w przypadku bakterii Escherichia coli i od 4,1 do 79,4 proc. w przypadku bakterii Klebsiella pneumoniae. Wraz z upowszechnianiem się tych opornych szczepów, antybiotyki stają się coraz mniej niezawodnym narzędziem.
Problem narasta, bo antybiotyki są stosowane powszechnie i często w nadmiarze, nie tylko w medycynie, ale także np. w hodowli zwierząt. Kontakt z lekami prowadzi do naturalnej selekcji wśród bakterii – przy życiu pozostają tylko te, które są odporne na działanie danego leku. Ponowne zastosowanie tego samego antybiotyku w tym samym stężeniu przeciw takiemu szczepowi nie przynosi już pożądanego skutku. Niektóre bakterie w ten sposób wypracowały w sobie zwiększoną odporność nie na jeden, a na wiele stosowanych do ich zwalczania leków. Tymczasem ostatni nowy antybiotyk został wprowadzony na rynek? w 1987 r.
Antybiotykooporne bakterie mogą stanowić bardzo istotne zagrożenie. Odpowiadają za zapalenia płuc, biegunki, zakażenia szpitalne, czy sepsę. Według WHO wskutek zakażeń nimi w 2050 r. może umrzeć nawet 10 mln ludzi. Pojawianie się kolejnych odpornych na coraz większą liczbę antybiotyków bakteryjnych szczepów stanowi szczególne zagrożenie wszędzie tam, gdzie odporność pacjenta jest znacząco obniżona, na przykład w przypadku operacji chirurgicznych czy chemioterapii.
Rozpoznać przeciwnika
Pomóc w walce z tym problemem ma BacterOMIC. To rozwiązanie, które pozwala błyskawicznie zidentyfikować, na które leki bakteria obecna w pobranej od pacjenta próbce jest oporna, a które powinny być w stanie ją zwalczyć. Kierowane przez prof. Garsteckiego prace badawcze, które umożliwiły stworzenie tego systemu były m.in. współfinansowane przez Fundusze Europejskie z programu Inteligentny Rozwój w ramach programu TEAM-TECH Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.
– BacterOMIC to system, który pozwala hodować wyizolowany patogen bakteryjny w bardzo wielu, przełomowo wielu warunkach chemicznych, czyli w różnych stężeniach różnych antybiotyków na jednym kartridżu, czyli odpowiednio zaprojektowanym pojemniku, w którym próbki trafiają do urządzenia – tłumaczy Garstecki. – Każdy kartridż ma 640 komór, co, licząc, że sprawdzanie różnych stężeń jednego antybiotyku zajmuje 8 komór, pozwala docelowo testować jednocześnie nawet 80 antybiotyków. Analiza zajmuje od kilku do kilkunastu godzin, a samo urządzenie obsługuje do 60 pacjentów jednocześnie.
To ogromny postęp w porównaniu z dzisiejszą praktyką, w ramach której jednorazowo testowana jest jedynie niewielka pula antybiotyków, a testy powtarzane są co kilka dni. Rozwiązanie przygotowywane przez polskich naukowców pozwala na kompleksowe sprawdzenie tego, które leki powinny zostać zastosowane w terapii już na samym jej początku. To z kolei oznacza, że niebezpieczeństwo pojawienia się groźnych komplikacji takich jak sepsa, powinno być o wiele niższe.
– Bardzo zależy nam, by zastąpić istniejące systemy pierwszego kontaktu, czyli by nie dopuścić w ogóle do pojawienia się komplikacji, tylko by od razu wybrać właściwą terapię ? mówi prof. Garstecki.
System jest już dopuszczony do sprzedaży, ale zespół prof. Garsteckiego nadal pracuje nad jego udoskonaleniem. – Zwłaszcza jeśli chodzi o przygotowanie kartridża do produkcji masowej i poszerzenie panelu antybiotyków – podkreśla profesor. – Będziemy jednak koncentrować się na poszukiwaniu partnerów bądź sprzedaży technologii jakiejś dużej firmie, bo to z założenia projekt, który musi być globalny.
BacterOMIC nie znalazł jeszcze kupca, ale dzięki unikalnym możliwościom już budzi bardzo duże zainteresowanie. Zarówno on, jak i PCR|ONE zostały w ubiegłym roku wyróżnione przez Amerykańskie Stowarzyszenie Chemii Fizycznej na liście siedmiu najbardziej przełomowych produktów na świecie.
Bezsprzeczny sukces, jaki na globalnym rynku odniosło urządzenie PCR|ONE daje zespołowi prof. Garsteckiego swobodę w wybieraniu kolejnych wyzwań. – To naprawdę fajna przygoda. Trzeba być upartym, a jednocześnie elastycznym – mówi prof. Garstecki. – Uparcie dążyć do postawionego sobie celu, ale elastycznie dobierać sposób pokonywania przeszkód na swojej drodze.
Prof. Piotr Garstecki, fizyk i chemik z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, współzałożyciel i prezes Scope Fluidics. Zajmuje się rozwijaniem zautomatyzowanych technik mikroprzepływowych znajdujących zastosowanie do przesiewowych badań w diagnostyce, biochemii oraz mikrobiologii. Współautor ponad stu publikacji naukowych i ponad stu zgłoszeń patentowych, prowadził projekty naukowe i techniczne w Polsce i w Stanach Zjednoczonych na Uniwersytecie Harvarda. Laureat wielu programów FNP: KOLUMB, MISTRZ, IDEE DLA POLSKI, w tym programów współfinansowanych z Funduszy Europejskich ze środków Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka (TEAM, POWROTY/HOMING) i Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój (TEAM-TECH).
