Już wkrótce, żeby zrobić badania wystarczy kropelka krwi. Wyniki będą po chwili - a to dzięki badaniom

Obecność kropelki lub pęcherzyka gazu w mikrokanale zmienia jego własności. Na przykład zmienia opór hydrodynamiczny, co z kolei wpływa na sposób, w jaki będą płynęły inne pęcherzyki i kropelki - wybiorą prawy, czy lewy kanalik. To sprzężenie można wykorzystać do budowania bramek logicznych. Ale nie sądzę, by ktoś chciał zbudować komputer, w którym zamiast elektronów płynących przez tranzystory, płynęłyby kropelki przez kapilary.

Ma wielość zbliżoną do wizytówki. Na jego powierzchni rzeźbimy malutkie kanaliki za pomocą frezarki lub fotolitografii. Bawimy się projektowaniem sieci kanałów, by ich układ spełniał warunki do przeprowadzenia konkretnego eksperymentu. Następnie strumieniem ciągłym wpuszczamy do środka dwa rodzaje płynów. W kanalikach jeden z tych strumieni jest rozrywany na kropelki o precyzyjnie zadanej objętości. Krążą one w układzie przemieszczając się wahadłowo z jednej odnogi do drugiej, oddzielone milimetrową warstwą cieczy nośnej. W Polsce pracujemy na dość dużych kropelkach o objętości od kilkudziesięciu do kilkuset nanolitrów. Każda z nich to osobna kolba chemiczna.

Układy mikroprzepływowe są proste, tanie i tak precyzyjne, że w pojedynczych kropelkach prowadzone są ściśle kontrolowane reakcje chemiczne. Można monitorować setki, tysiące procesów chemicznych i biologicznych równocześnie. W kroplach hoduje się także bakterie. W bardzo małej objętości płynu, można zamknąć pojedyncze komórki. W dużej kolbie nawet trudno byłoby je znaleźć, a co dopiero badać. Oczywiście interesuje nas to, co te komórki wydzielają. Tylko w miniaturowej kropli stężenie wydzielanych substancji jest na tyle duże, że daje się je mierzyć. Ponadto mając wielką liczbę kropelek można prowadzić eksperymenty kierowanej ewolucji.

Taką ewolucją kierowaną jest hodowla psów rasowych. Zwierzęta dobierane są pod względem cechy wymyślonej przez człowieka, a nie takiej, która daje większe szanse na przeżycie. Podobnie można hodować bakterie, by uzyskać cechę nie promowaną w środowisku naturalnym, ale potrzebną ludziom. Na przykład, zdolność do degradacji jakichś szkodliwych substancji chemicznych zalegających na wysypiskach śmieci. W sposób sztuczny indukuje się szybkie mutacje. Następnie spośród olbrzymiej puli milionów zmutowanych komórek bakteryjnych wybierane są te najbardziej odpowiednie, by jeszcze wielokrotnie poddać je tej samej procedurze. Każdy mutant znajduje się w oddzielnej kropli. Na podobnej zasadzie można prowadzić badania nad nowymi antybiotykami - na przykład wyszukując z populacji naturalnie występujących drobnoustrojów, te które mają zdolność do ich syntezy.

Od jednego miliona do 10 milionów, ale to w doświadczeniach, w których krople mają średnicę jednej setnej milimetra i zamyka się w nich pojedyncze bakterie. My zajmujemy się czym innym. Zamiast robić bardzo dużo kropelek staramy się opracować metody pozwalające prowadzać w nich dowolne operacje chemiczne przez długi czas. W naszych układach, zamiast milionów, mamy setki kropel, a każda jest mikroreaktorem. Możemy hodować kolonię bakterii, wystawiać ją na działanie różnych substancji chemicznych i sprawdzać efekty.

Zbudowany przez nas układ, jako pierwsze tego typu urządzenie na świecie, pozwala do każdej z setek krążących w nim mikrokropel dodawać i z każdej pobierać precyzyjnie odmierzoną ilość płynu. Oczywiście jest jeszcze mnóstwo do dopracowania. Proszę sobie wyobrazić, że chciałaby Pani żonglować kilkuset kroplami deszczu. Trzeba tak dobrać całą mikro-hydraulikę, żeby na polecenie komputera zatrzymać kroplę dokładnie tam, gdzie chcemy ją zatrzymać, przesunąć, połączyć z inną. Poza tym, należy dobrze kontrolować zwilżanie ścian kanałów, a to wymaga całej baterii metod chemicznych. Mamy tu wspaniałych ludzi, którzy potrafią to zrobić.

W naszym instytucie budowane są już prototypy urządzeń służących do badania krwi. Wyniki morfologii uzyskuje się już po kilku-kilkunastu minutach. Dobra wiadomość dla tych, którzy panicznie boją się pobierania krwi - do przeprowadzenia analizy wystarczy tylko kropla. Interesuje nas również diagnostyka molekularna, czyli wykrywanie kwasów nukleinowych i rozpoznawanie chorobotwórczych bakterii i wirusów.

Przy każdym kontakcie z lekarzem powinniśmy mieć możliwość otrzymania dowolnej diagnozy w kilka minut. Nie ma fundamentalnych przeszkód technicznych, które by uniemożliwiały taki postęp w diagnostyce medycznej. Jednak zmiana wymaga dużo czasu, zarówno na rozwój techniczny jak i adaptację nowych rozwiązań przez system refinansowania w medycynie. Na podstawie już powstających prototypów i prowadzonych badań, można prognozować, że w ciągu najbliższych 10-20 lat będziemy świadkami rewolucyjnych zmian w diagnostyce.

Kilka lat temu miałem w Stanach Zjednoczonych seminarium, podczas którego opowiadałem o kropelkach. Pewien starszy, bardzo szacowny profesor wątpił w sens badań nad mikroprzepływami, bo jak zażartował - przecież nikt nie będzie tak robił majonezu! Bardzo mnie rozbawiło, gdy dowiedziałem się ostatnio, że jedna z firm zajmujących się wprowadzaniem technik mikroprzepływowych pracuje nad produkcją majonezu. Urządzenia mikroprzepływowe mogą być bardzo wydajne. Jako zespół jesteśmy otwarci na kontakty z przemysłem. Nowe techniki można szeroko stosować od produkcji emulsji spożywczych i kosmetycznych, po formulację leków i prowadzenie syntez chemicznych.

To się już dzieje, na przykład, w syntezie chemicznej. Nowe techniki użyteczne są zwłaszcza w przypadku reakcji bardzo wrażliwych na warunki lub reakcji niebezpiecznych - przebiegających podczas produkcji materiałów wybuchowych. Bardzo trudno jest przejść od małej skali do skali przemysłowej, bo czym innym jest synteza w małej fiolce i synteza w 50-litrowej kolbie. To są zupełnie inne procesy. Na potrzeby produkcji przemysłowej nie powiększamy kanałów, tylko łącząc moduły robimy ich bardzo dużo. Problem zmiany skali nie istnieje, ponieważ kopiujemy działające rozwiązanie. Dzięki temu układy mikroprzepływowe eliminują ryzyko wybuchu przy syntezie środków wybuchowych. Nawet gdyby się wybuch przydarzył, to wybucha tylko jeden kanalik ze 100 tys. innych kanalików i nic złego się nie dzieje.

Kodowaliśmy informacje w odstępach między kropelkami, analogicznie do kodu Morse’a. Mikrokrople przechodząc przez pętlę mikroprzepływową przesuwały się względem siebie i wiadomość stawała się - na kilkumilimetrowym odcinku kanalika - nieczytelna. Odkodowanie szyfru następowało przy przejściu przez następną pętle. Ale to tylko zabawa. Mamy wielką frajdę z tego, że bawiąc się możemy tworzyć rozwiązania rzeczywistych problemów.