LØRN case C0154 -
LØRN. RESEARCH

Astrid Aksnes

Professor

NTNU

Diagnostistikk på små biosensorer

I denne episoden av #LØRN snakker Silvija med professor ved institutt for elektroniske systemer på NTNU, Astrid Aksnes. Astrid jobber med optisk sensorteknologi for ulike anvendelser som miljøovervåking og medisinsk diagnostisering. I episoden forteller Astrid om hvordan de forsker på og utvikler nye diagnostiseringsverktøy samt hva lab-on-a-chip er.
LØRN case C0154 -
LØRN. RESEARCH

Astrid Aksnes

Professor

NTNU

Diagnostistikk på små biosensorer

I denne episoden av #LØRN snakker Silvija med professor ved institutt for elektroniske systemer på NTNU, Astrid Aksnes. Astrid jobber med optisk sensorteknologi for ulike anvendelser som miljøovervåking og medisinsk diagnostisering. I episoden forteller Astrid om hvordan de forsker på og utvikler nye diagnostiseringsverktøy samt hva lab-on-a-chip er.
Facebook
Twitter
LinkedIn
Email

20 min

Choose your preferred format

Velkommen til Lørn.Tech – en læringsdugnad om teknologi og samfunn med Silvija Seres og venner.


SS: Hei og velkommen til Lørn.tech. Tema i dag er nanoteknologi. Gjesten min i dag er Astrid Aksnes som er professor for elektroniske systemer ved NTNU Trondheim.

AA: Tusen takk.

SS: Astrid, vi har vært borti hverandre ved en spennende konferanse som var organisert av Digital Life Norway

AA: Det stemmer.

SS: Som vi begge er store fans av. Tverrfaglig og alt-etene når det gjelder forskning som vi er. Så her tror jeg det kommer mye morsomt. Men før du forteller oss om alle disse her kule konseptene du jobber med, inkludert biosensorer for tonikk og mikrofloitikk, så må du først fortelle hvem Astrid er.

AA: Som du nevnte så er jeg professor på NTNU. Primæroppgavene mine er å undervise og veilede mastergrad – og doktorgrad studenter. Også forsker jeg og vi utvikler prototyper. Så jeg bruker NTNU Nanolab ganske mye i forskningen

SS: Du nevnte for meg at de vi snakker om egentlig kan sorteres under flere temaer og mange forskjellige områder, bioteknologi var en av dem og nanoteknologi var en annen. Hvis vi bare begynner med å åpne de to begrepene. Så er du egentlig ved instituttet for elektroniske systemer, bare for å gjøre det enda morsommere. Hva er forskjellen da mellom nanoteknologi og bioteknologi?

AA: Ja det er et kjempevanskelig spørsmål. Med nanoteknologi da jobber vi ofte med halvlederkomponenter, forskjellige materialer og vi jobber veldig smått. Du kan ta mye som har blitt gjort i

mikroelektronikk industrien og lage forskjellige komponenter som brukes i mobiltelefoner og overalt, det blir enda mer miniatyrisert også begynner vi å se mer på grunnleggende fysiske effekter når det begynner å bli veldig smått. Det oppfører seg ikke likt som i større skala. Så det er spennende

SS: Det er veldig spennende. På to nivåer: det ene er at vi egentlig skal snakke om digitalisering i denne podcast serien og så har vi skjønt ganske fort at det hjelper ikke fordi dette er et samspill med så mange forskjellige teknologier når hvor folk må forstå litt om nanoteknologi og biotech for å forstå den nye digitaliseringen. Og der er det eksemplet du snakker om hvor chipene våre begynner å bevege seg på molekylært nivå. Etter hvert også bruker biologisk materie.

AA: Det er riktig. Vi bruker også biologi på chipene. Så vi legger overflater – eller vi overflatestrukturer med biokjemiske blander, jeg vet ikke, hehe.

SS: Ja biokjemiske blandinger det er sånn type… organisk kjemi. Karbon et eller annet, eller.

AA: Det er organisk kjemi. Så du kan for eksempel når vi bruker Lab on a chip til diagnoser så er det enkelte proteiner som vi ønsker å fange på vår Lab on a chip og da har du disse såkalte fangemolekylene som vi setter fast oppå overflatesensoren så vi kan fange.

SS: Så det du må er først et lag med kjemi, og så kan elektronikken lese det du har fått kjemien til å gjøre?

AA: Ja så du må få det til å spille sammen, og det er også veldig spennende fordi materialene, avhengig av hvilke materialer du jobber med, så vil det oppføre seg ulikt. Så du må ha få samspill mellom silicium, polymerer og organisk kjemi pluss det du måler på. Væske er det ofte. Det kan være blod, urin eller spytt. Også kan du også bruke Lab on a chip på gass. Da er det mer et åpent system du ville hatt.

SS: Så i praksis så kunne man hatt piller man svelger med litt sånn Lab on a chip pakket inn i gele som kan måle det meste av som skjer i kroppen vår.

AA: Absolutt, absolutt. Kan måle det og de gjør jo allerede det med små kameraer som de sender som piller ned i magen for å avbilde. Og du kan sende piller ned i magen som du sier. Det er absolutt en mulighet.

SS: Dette her er også en teknologi som blir billigere?

AA: Det stemmer. Du kan bruke handlerindustrien eller mikroelektronikk industrien, de fabrikasjonsmuligheten du har der kan du også bruke på mikro – og nanoelektronikk og på mikrofluidikt, det blir typisk laget i polymerer, og da bruker du de samme prosessene men med et litt annet materiale som gjør at du kan masseprodusere. Du kan lage veldig mange enheter på en liten flate.

SS: Mhm. Og det som er, eller du er ved institutt for elektroniske systemer, og det er der chip er utgangspunkt med chip er blandet med all den her biologien og kjemien som vi snakker om.

AA: Ja, så jeg jobber også med folk fra Instituttet for biofysikk også jobber jeg med folk fra medisin og helse som har en professor i nanomedisin, også jobber vi med folk fra Sintef i Oslo som er spesialister på mikrofluidikk og også nanofluidikk. Da strukturer vi mikrofluidikken for å styre væskestammen. Så det er en ting vi jobber med. Når vi får det veldig smått og vi har veldig små konsentrasjoner så er det viktig at væskestemningen blir styrt ned på den lille sensoroverflaten. For vi snakker om, ja, hvis du tar en nål og prikker på overflaten så er størrelsen på sensoren omtrent på størrelse med hodet på en nål. Så det er veldig veldig smått.

SS: Hadde vært morsomt å vært på disse prosjektjulebordene deres forresten. Men du Astrid, dere jobber også med andre prosjekter sånn som Double Intraperitoneal Artificial Pancreas. Altså kunstig…

AA: Kunstig pancreas. Der ønsker vi å lage et kontrollsystem også ønsker vi å ha sensoren i magen for å måle glukoseverdiene raskere enn det du kan hvis du tar en blodprøve eller hvis du tar den enkelte sensoren og monterer på armen og da går det gjennom huden og da er det en forsinkelse på endringer på verdiene, så det vil gi deg en bedre regulering av glukoseverdien. Og dette er viktig for diabetespasienter at det ikke går over visse verdier og ikke går under verdier.

SS: Så det dere jobber med - hvis jeg skal være veldig populistisk nå, Lab on a chip da, eller diagnostisering verktøy som er veldig små og tilgjengelig som graviditetstester og røykvarslere. Men nå kan vi måle så mye mer og det blir så mye mer tilgjengelig. Er det det som skjer gjennom Internet of Things kombinert med denne fantastiske forskningen som dere jobber med?

AA: Man kan eventuelt gjøre det, men da har man også noen utfordringer med personvern og at noen kan styre. Du må ikke ha det på Internet of Things, men du har muligheter til det. Poenget er at når vi klarer å miniatyrisere så mye så kan vi måle veldig mange ulike parametere samtidig og når du får ned mengden så slipper du å slipper du å ta så store blodprøver, du kan altså måle raskere, sånn at du kan gjøre det i løpet av 20minutter – er vårt mål. I dag gjør vi disse store analysene på store sentrale laboratorier og da tar det flere, det kan ta flere dager eller uker før vi får svaret. Biomarkører, hvis du måler dem nesten kontinuerlig, så kan du unngå for eksempel organsvikt. Så på vårt prosjekt så har du 3 biomarkører som er valgt ut og det er C-reaktivt protein; CRP, også er det…

SS: Det er den man pleier å måle når man går..

AA: Det er den man pleier å måle når man går til legen hvis man skal se om det er bakterie eller virus. Det bruker vi også til å kvalifisere vår teknologi.

SS: Ja.

AA: Så har du noe som heter Lipocalin-2 og det forskers det på på sykehuset. Og det er litt interessant for nå har man ikke noe verktøy for å måle den nesten kontinuerlig. Nå må du ta blodprøve å sende til lab. Hvis du begynner å få høye nivåer av det her så kan det tyde på organsvikt, nyresvikt.

SS: Det fremstående, eller hva det heter…potensielt!

AA: Ja, så potensielt så kunne du monitorere dette på sykehuset når du har pasienter som er innlagt og så kunne man følge opp dette her. Også har vi noen kreftmarkører. Og vi har valgt ut ulike markører også på grunnlag av at vi ønsker å presse teknologien for å finne ut hvor små konsentrasjoner klarer vi å måle og da er det ekstremt små.

SS: Dette er kjempe spennende, Astrid! Fordi delvis så leser man at tidlig diagnose er veldig mye av løsningen for at man skal kunne behandle mange av disse livskritiske sykdommene.

AA: Det stemmer.

SS: En annen ting er at dette demokratiserer det veldig. Noen som ikke har råd, ikke har tid, gruer seg til å ta prøvene osv, så hvis dette her er noe som er veldig lett å gjøre, nesten på nivået hvor man bare kunne prikker seg i fingeren på morgenen. Er det blod man må levere fra seg eller hva?

AA: Vårt mål er at vi skal kunne måle blod. Også. Men det er et vanskelig medium å jobbe med fordi det er. Eller spytt er enklere. Og urin enda enklere

SS: Doen kan rett og slett diagnostisere deg om morgenen, hehe.

AA: Ja, ja. Men sånn i løpet av det prosjektet vi har så skal vi lage en slags demonstat, men det vi ønsker er at man kan miniatyrisere så mye at man kan ha det kanskje til og med i hjemme til folk, ute i point of care i u-land, men i første omgang så kan det være et viktig verktøy på legekontor og på sykehuset.

SS: Og grunnen til at det er vanskelig, altså hovedforskningsproblemet er at det har blitt så smått, eller er det at det er så komplekst?

AA: Det er begge deler. Det er det at du har veldig små konsentrasjoner, du ønsker å gjøre dette her raskt også er det det at biologi – biokjemi, ofte er ustabilt å få ting til å være helt repeterbart er utfordrene.

SS: Vi vet ikke helt hva som skjer i kroppen.

AA: Det er en grunn til at lab on a chip ikke helt har tatt av enda, men det har kommet til det stadiet at det er flere og flere produkter på markedet.

SS: Hvordan ble du interessert i dette her?

AA: Jeg har alltid vært interessert i medisinske anvendelser. Også har jeg jobbet mye med fotonikk og ulike sensorer, så jobbet innen gassmålinger.

SS: Du er nanoteknologiingeniør i utgangspunktet?

AA: Jeg har… jeg er … jeg har master i elektronikk med spesialiseringen innenfor ektro-opptikk og så har jeg doktorgrad for fysikk. Og nå er jeg tilbake på elektronikk. Så nanoelektronikk fantes ikke da jeg tok utdannelsen, hehe! Men jeg har jobbet på rene rom med mikroelektornikk og nå jobber jeg på rene rom - eller mine studenter, jobber på rene rom.

SS: Du er et av disse perfekte eksemplene på disse hybrid forskerne som vi trenger for det å plukke opp konsepter og modeller fra forskjellige fag for så å røre det sammen til nye måter tror jeg er veien å gå.

AA: Jeg synes det er kjempe spennende å jobbe med folk med forskjellig bakgrunn. Jeg tror det er sånn vi kan løse sammen nye problemer og få det til og at vi ikke bare følger ett spor. Og det gjorde man også før i tiden. De gamle gode de var ikke…

SS: Var ikke så smale faglig.

AA: De var ikke smale faglig nei. Og det tror jeg er viktig at vi åpner opp blikket og kombinerer ulik kunnskap.

SS: Jeg leste nylig en bok om Da Vinci og han biografen, i biografen sier han… han kritisert Da Vinci veldig mye for at han har prøvd så mye forskjellig, ikke sant, han lekte med disse scenografi greine og beleiringsmaksiner og alt mulig. Men det er liksom alt, kombinasjonen, som gjorde at han fikk til Mona Lisa til slutt.

AA: Absolutt. Da Vinci er jo et perfekt eksempel på en som drev med kunst og medisin og vitenskap, så han… ja… en spennende person.

SS: Er det noe vi gjør spesielt godt av dette her i Norge som vi kan si…vi må feirer mer?

AA: I Norge så har vi, i hvert fall hvis du ser på bioteknolog så er vi veldig heldige at universitetene, forskningsinstituttene og sykehusene de jobber tett sammen. Så vi har team med leger, forskere - teknologiforskere også gjennom Digitalt Liv Norge. I Norge så begynner vi å få flere samfunnsvitere inn i teamet for å løse problemer sammen. Og det er en styrke. Vi har eksempler på hvor Norge var veldig langt frem tidlig, i ultralyddiagnostikk har Norge vært ekstremt flinke med. Og innenfor mer elektronikkmarkedet så har vi vært veldig dyktig innenfor disse nisjé områdene og vi var tidlige til i å ta i bruk…bruke noe som heter Mikroelektromekaniske systemer, MEMS, og Norge var verdensledene med å lage akselerasjonssensorer. De solgte flest enheter i verden som ble brukt i airbags og nå bruker vi det i mobiltelefoner.

SS: Ja.

AA: Jeg tror at vi er raske til å ta i bruk ny teknologi, har vært veldig viktig.

SS: Også glemmer vi jo hvor mye av dette her som kommer herfra.

AA: Absolutt.

SS: Det skjer jo kjempe mye spennende her i Trondheim også. Hvis folk skal huske en eller annen kul sitat man kan bruke som en samtale starter, hva ville du sagt?

AA: Ja, den syntes jeg var vanskelig, men jeg fant et som: ”Tenk smått for å tenke stort”. Det fant jeg på John Hopkins Institute og det sier veldig mye at hvis du klarer å miniatyrisere nok så åpner du så mange muligheter. Så litt av dette med Lab on a chip så hvis vi får til å demonstrere prinsippet gjennom prosjektene vi allerede så kan man tenke seg at man kan øke opp antallet av sensorer og ha hundrevis og da kan du begynne å gjøre statistisk analyse på forskjellige markører som også vil være behjelpelig med å stille rett diagnose. Også kan du lage mer personlig diagnostikk og designe hver enkelt Lab on a chip med de bestemte markørene for akkurat den pasienten.

SS: Så det er ikke lenge til vi får vår lille Lab on a chip på kjøkkenbenken, eller?

AA: På kjøkkenbenken, må prøve å tenke om det finnes noe allerede, det kan jo hende at vi har ulike ting allerede. Jo, man har jo egentlig gjennom…

SS: Klokker kanskje?

AA: Klokker, men jeg tenkte også – nå driver vi jo å overvåker mat og holdbarhet. Det er egentlig en liten Lab on a trip du ser på kjøttemballasjene, hehe. Når vi tar dem fram på benken så ser vi en rask endring!

SS: Du Astrid Aksnes, professor innenfor alt mulig spennede, hehe, ved NTNU som har lært oss mye om nanoteknologi og diagnostikk med disse nye biosensorene og chiper på størrelse med frimerker.

AA: Og du kan få de enda mindre, men man må lage de i størrelse sånn at man kan håndtere de rett og slett og koble ting til å og fra.

SS: Tusen takk for at du var her med oss og lærte oss om bioteknologi, elektronikk og sensorikk og en spennende hybrid mellom disse tingene.

AA: Tusen takk for at jeg ble bedt!

SS: Og tusen takk til dere som lyttet.


Du har lyttet til en podcast fra Lørn.Tech - en læringsdugnad om teknologi og samfunn. Følg oss i sosiale medier og på våre nettsider Lørn.tech.


Hva gjør dere på jobben?

Vi underviser i teknologiske fag, veileder master- og doktorgradsstudenter, forsker og utvikler prototyper. Jeg leder prosjektet «Lab-on-a-chip biofotonisk sensorplattform», som er finansiert av Forskningsrådet og tilknyttet Senter for Digitalt Liv Norge.

Hva er de viktigste konseptene i lab-on-a-chip?

Vår lab-on-a-chip-biosensorbrikke er på størrelse med et frimerke og skal analysere væskeprøver (for eksempel blod, spytt eller urin) og måle konsentrasjonen av sykdomsmarkører på ca. 20 minutter i stedet for timer eller dager.

Hvorfor er det spennende?

Det er spennende å jobbe med kompetente og kreative forskere med ulik bakgrunn. Vi lærer hele tiden. At resultatene av forskningen kan bidra til å bedre helse og livskvalitet, gjør det spesielt givende.

Hva mener du er de største kontroversene (eller utfordringene)?

Det er utfordrende å utvikle en sensor som er ekstremt følsom og selektiv. Det er krevende å få biokjemien til å være stabil og repeterbar. Det er også utfordrende å holde produksjonskostnadene nede på et fremtidig produkt. Teknikker som ikke ennå kan masseproduseres, benyttes ofte i forskningen.

Dine egne prosjekter innenfor lab-on-a-chip?

Jeg har forsket på kapasativ-mikromaskinerte-ultralyd-transdusere (CMUT) for å diagnostisere hjerte- og karsykdommer. I tillegg til LOC biosensor-prosjektet er jeg involvert i prosjektet Double Intraperitoneal Artificial Pancreas (DIAP), der vi utvikler en glukosesensor for kontinuerlige målinger. Jeg jobber også på Microsense-prosjektet, der jeg er med på å utvikle en on-chip sporgass-sensor.

Dine andre favoritteksempler på lab-on-a-chip internasjonalt og nasjonalt?

Et velkjent eksempel på lab-on-a-chip er graviditetstester. Andre eksempler er røykvarslere og akselerasjonssensorer.

Hvordan pleier du å forklare lab-on-a-chip (LOC)?

En enhet som integrerer en eller flere laboratoriefunksjoner på en brikke (chip) med en størrelse på kun kvadratmillimeter eller kvadratcentimeter. LOC kan håndtere ekstremt små væskevolumer (ned til picoliter). Det kan også benyttes til mikrofluidikk, fysikk samt manipulering og studier av små mengder væsker og gasser.

Er det noe vi gjør her i Norge som er unikt?

Flere steder i Norge har teknologiske miljøer og universitetsmiljøer et tett samarbeid med klinikere på sykehus. Ved å samarbeide tett jobber teknologene med relevante problemstillinger og løsninger. Ultralyddiagnostikk er et eksempel der Norge har lykkes og er verdensledende.

Har du et LOC-sitat du liker spesielt godt?

«Think small to think big» – fra Johns Hopkins Institute for NanoBioTechnology.

Astrid Aksnes
Professor
NTNU
CASE ID: C0154
TEMA: SECTOR RELATED INNOVATION
DATE : 181206
DURATION : 20 min
YOU WILL LØRN ABOUT:
Lab-on-a-chipBiosensor for diagnostikkFotonikk og Mikrofluidikk
QUOTE
"En lab-on-a-chip biosensor plattform er på størrelse med et frimerke som kan analysere væskeprøver og måle konsentrasjonen av sykdomsmarkører på ca. 20 minutter i stedet for timer til dager. Mange sensorer kan pakkes på en brikke og vi kan måle mange markører samtidig. Rask diagnose vil gjøre det mulig å behandle pasienten mer effektivt."
More Cases in topic of SECTOR RELATED INNOVATION
#C0022
SECTOR RELATED INNOVATION
Hvordan inkuberer man biotek?

Erling Nordbø

Partner

ALEAP

#C0021
SECTOR RELATED INNOVATION
Hva er BioTech?

Harald Throne-Holst

Professor

SIFO og OsloMet

#C0029
SECTOR RELATED INNOVATION
Enorme muligheter med bioøkonomi

Marius Øgaard

Founder

The Life Science Cluster