Dispositivo innovativo per l’assistenza patient-centered di pazienti affetti da malattie neuro degenerative basato su sensori nanostrutturati

Risultato della ricerca:

Allo stato attuale, la presenza e la concentrazione dei farmaci antiepilettici è eseguita routinariamente solo su siero. Questo comporta la necessità di un prelievo venoso, con disagi per il paziente specie se di età pediatrica o poco collaborante. Gli studi in letteratura sulla misurazione degli antiepilettici nella saliva spesso riguardano un solo farmaco e sono condotti su piccoli campioni di pazienti. Le tecniche usate sono di tipo cromatografico o con immunoassay. Tali metodologie soffrono di diversi svantaggi, tra cui il costo, la sensibilità non sempre ottimale e la lentezza di esecuzione dell’esame. Questi limiti non hanno consentito una diffusione capillare del sistema di rilevazione, come sarebbe invece auspicabile.
Il sistema oggetto della presente proposta è il risultato di un’attività di ricerca pluriennale condotta principalmente presso il Laboratorio di Chimica Fisica Applicata dell’Università di Palermo che ha messo a punto i primi prototipi di biosensori nanostrutturati per la rilevazione di biomolecole in diversi fluidi biologici.

I risultati ottenuti attraverso la sperimentazione sui sistemi prototipali confermano gli ampi margini di miglioramento rispetto ai sensori attualmente in uso ed il vasto panorama applicativo del mercato  potenziale di riferimento. La tecnologia proposta è stata validata al livello sperimentale nel laboratorio di Chimica Fisica Applicata dell’Università di Palermo. Nell’ambito delle attività di ricerca iniziali si è proceduto analizzare la fenomenologia chimico-fisica che sta alla base del funzionamento dei biosensori, e, successivamente a sviluppare un sistema sperimentale che dimostrasse la possibilità di applicazione in ambito clinico-diagnostico.
La ricerca, successivamente, è stata validata sperimentalmente attraverso la realizzazione di una campionatura di superfici nanostrutturate da testare in soluzioni appositamente realizzate in laboratorio. Una volta validato il processo è stato possibile realizzare vari prototipi di biosensori da utilizzare in campagne sperimentali mirate alla caratterizzazione delle prestazioni dei sensori e del sistema di misura in termini di accuratezza, linearità, concentrazioni minime rilevabili, ecc. Oggi, pertanto si dispone di un principio validato sperimentalmente sulla base del quale sono stati sviluppati sensori prototipali testati in laboratorio, i quali hanno dimostrato prestazioni superiori rispetto a quelle dei sistemi attualmente diffusi per la diagnostica in ambito medico.
Attraverso la presente proposta, pertanto, dal TRL 4 di partenza si intende raggiungere il livello di dimostrazione su larga scala in ambiente operativo (TRL 7), e successivamente procedere verso lo sviluppo di un processo produttivo su scala industriale. Il conseguimento di tale obiettivo prevede in particolare lo sviluppo di un dispositivo di controllo che consenta il monitoraggio da remoto di una molteplicità di sensori e che sia in grado di fare inferenza sui dati rilevati al fine di rilevare eventuali condizioni anomale.

Riferimento a finanziamenti precedenti:

Nessun finanziamento è stato ottenuto finora.

Innovatività rispetto a soluzioni già esistenti:

Il carattere fortemente innovativo della proposta è legato sia ad a aspetti tecnologici che metodologici. In merito alle tecnologie impiegate, il sistema proposto è basato sul rilevamento elettrochimico della concentrazione di biomolecole nei fluidi biologici. Tale metodo è oggi largamente il più diffuso in ambito clinico, tuttavia l’introduzione di sensori innovativi, basati su elettrodi in ossido di grafene e nanoparticelle metalliche, consentono prestazioni nettamente superiori rispetto a quelli attualmente in uso in merito, ad esempio, alla linearità della risposta ed alla elevata sensibilità. Con tali caratteristiche i sensori impiegati consentono di rilevare tracce anche minime di molecole e composti elettro-attivi, estendendo di fatto il range di applicabilità del sensore.
In relazione agli aspetti metodologici, l’elemento innovativo riguarda la messa a punto di una metodologia di monitoraggio del paziente attraverso un dispositivo integrato (embedded) che consente non solo l’immagazzinamento dei dati (anche sul clould) ma anche l’implementazione di tecniche di inferenza e di supporto decisionale che abilitino l’approccio patient-centric alla cura.

Titoli di proprietà intellettuale:

Allo stato attuale sono in corso le attività preliminari di stesura dei documenti per la richiesta di un brevetto.

Principali applicazioni e mercato di riferimento:

In virtù dell’elevato livello di sensibilità che la tecnologia innovativa proposta per il rilevamento delle biomolecole elettro-attive presenta rispetto all’attuale panorama tecnologico, gli ambiti applicativi del sistema sono ampi e variegati. In generale si può dire che il sistema è in grado di rilevare concentrazioni anche minime (tracce) di qualsiasi composto elettro-attivo in qualunque fluido biologico (urine, sangue, sudore, saliva, ecc..). Tale caratteristica rende il sistema particolarmente adatto all’analisi non-invasiva della concentrazione dei seguenti farmaci: Clobazam, Clonazepam, Vigabatrin, Felbamato, Zonisamide, Rufinamide, Gabapentin, Pregabalin, Valproato, Barbesaclone, Pirimidone, Etosuccimide, Carbamazepina, Oxcarbazepina, Eslicarbazepina, Lacosamide, Fenitoina, Lamotrigina, Fenobarbitale, Levetiracetam, Perampanel, Topiramato.
Il monitoraggio della concentrazione di tali farmaci nel paziente consente di valutare la compliance del paziente alla terapia, e inoltre di personalizzare il dosaggio ed i protocolli di cura tenendo conto della fisiologia individuale e sviluppando pertanto un approccio patient-centric.
Nella fase di commercializzazione del prodotto, per facilitare il dosaggio dell’analita da parte dell’utente finale, tra tutti i liquidi biologici sarà scelta la saliva. Lo sviluppo di sensori per l’analisi su saliva dei farmaci antiepilettici potrebbe pertanto rivolgersi a due differenti target. È infatti previsto un utilizzo “consumer” rivolto all’utente finale, cioè al paziente con epilessia, che potrebbe acquistare direttamente i sensori per eseguire il dosaggio dei farmaci secondo modalità e tempistiche indicate dal medico. La lettura del dosaggio avverrebbe a domicilio con un’apparecchiatura “basic” in grado di connettersi ad internet via cavo o wireless.
Inoltre, è ipotizzabile un utilizzo “business” mediante lettore dotato di funzionalità più avanzate, pensato per un uso ambulatoriale. In questo secondo caso, il mercato di riferimento è quello delle attrezzature sanitarie per uso professionale (pubblico o privato).

Esigenze per l’ulteriore sviluppo – Industrializzazione:

Le esigenze in termini di sviluppo successivo dei risultati della ricerca richiedono lo sviluppo di un dispositivo (device) centralizzato che implementi la catena di misura dalla grandezza elettrofisica misurata (tensione) al dato finale (concentrazione), e che consenta il controllo di una molteplicità di sensori al fine di immagazzinare i dati e svolgere le funzioni di supporto alla decisione.
Nella prima fase di sviluppo verrà inoltre individuata la tecnica elettrochimica più performante (tra amperometria, ciclovoltammetria lineare o con onda quadra, e onda quadra differenziale) in modo da garantire contemporaneamente elevata sensitività ed elevata selettività.
Per quanto riguarda la validazione del sistema in ambiente operativo occorre svolgere una campagna sperimentale su pazienti in assistenza, mediante i protocolli di prova standard.