Revista >> Aprilie 2020 [Nr. 223] >> Cercetare & Invatamant superior

Implicarea INCDFM în combaterea pandemiei COVID-19

Dr. Ionut Enculescu,Dr. Victor Diculescu,Dr. Victor Kuncser,Dr. Mihaela Baibarac,Dr. Lucian Pintilie

23 Aprilie 2020

Actualul context datorat pandemiei COVID-19 este unul imputabil în mare măsură neglijenței în tratarea cu maximă responsabilitate a unor amenințări cunoscute de mai mult timp. Toate statele au fost luate prin surprindere de evoluția pandemiei, însă o investiție constantă și predictibilă în cercetare, referitoare la subiectele de acest tip, ar fi putut să ducă la evitarea acestui episod (vorbim de SARS2, deci evident a existat un precedent). Acum este deja târziu, dar sunt posibilități de minimizare a efectelor, însă semnalele sunt mixte (atât la nivel național, cât și la nivel internațional) privitor la capacitatea factorilor de decizie guvernamentali de a înțelege importanța cercetării științifice în managementul acestui tip de criză.

Institutul Național de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM) este una din instituțiile fanion ale cercetării românești, afirmația bazându-se pe rezultatele de calitate înaltă obținute și validate de evaluatori, atât în publicații cu factor ridicat de impact, cât și, din ce în ce mai mult, de beneficiari din rândul companiilor private. Depășind deja paradigma care din păcate este încă folosită pe scară largă, cea a împărțirii cercetării în cercetare fundamentală și aplicativă, cercetătorii din institut sunt focalizați pe obținerea de rezultate științifice originale, cu potențial mare de impact socio-economic. Subiecte precum cele legate de modelarea riscurilor CBRN (chimic, biologic, radiologic, nuclear), de producerea și testarea a diferite tipuri de senzori și biosenzori, de producerea şi caracterizarea materialelor funcţionale pentru aplicaţii inclusiv în medicină, sau a materialelor pentru filtrare sau protecție/decontaminare bazate pe arhitecturi submicrometrice, au fost abordate intensiv în ultimii ani. În acest context, INCDFM pregăteşte, în calitate de coordonator sau partener, mai multe expresii de interes pentru tematicile lansate în ultimele zile în cadrul programului P2-Creșterea competitivităţii economiei româneşti prin CDI, proiecte de tip SOLUŢII, cu focalizare pe câteva teme de cercetare de mare interes în combaterea epidemiei de COVID-19, după cum urmează:
1. Platformă de testare rapidă. Un dispozitiv de testare rapidă și cu rezultate de încredere este necesar având în vedere actuala situaţie economico-socială determinată de pandemia COVID-19. Este de menționat că diagnosticul infecției cu coronavirus este bazat pe teste RTPCR (real-time polymerase chain reaction), al căror răspuns, deși extrem de precis, este disponibil la un interval cuprins între 4 şi 6 ore de la momentul inițierii analizei, moment care nu întotdeauna corespunde cu cel al prelevării de probe, caz care poate duce la întârzieri de ordinul zilelor în obținerea rezultatului final, când există un număr extrem de mare de probe.

Un dispozitiv de testare rapidă cu specificitate pentru COVID-19 este un obiectiv ce poate fi atins pe termen mediu spre lung. Asta pentru că principiul de funcționare al unui astfel de dispozitiv se bazează pe interacții de tip anticorp-antigenă, în momentul de față neexistând anticorpi specifici COVID-19. Există desigur şi alte posibilități de detecție, dar toate bazate pe interacții biomoleculare, iar cercetările pentru identificarea moleculelor implicate necesită timp. Cu toate acestea, există posibilitatea dezvoltării de dispozitive de testare rapidă care, deși nespecifice la COVID-19, permit o identificare rapidă a gradului general de infecție, precum şi al stadiului acesteia. Considerăm că este o metodă de screening/testare rapidă mult mai precisă decât metoda actuală de măsurare a temperaturii corporale. Implementarea de astfel de dispozitive ar aduce beneficii enorme printr-o triere rapidă a cazurilor ce merită atenție medicală sporită, permițând autorităților să concluzioneze rapid asupra măsurilor ce se impun, inclusiv asupra necesității testării RTPCR. Nu în ultimul rând, posibilitatea producerii de sisteme de detecție rapidă ar aduce României un mare beneficiu economic şi social prin producerea internă, în masă, de dispozitive necesare menținerii stării de sănătate a populației, evitând în acest mod problemele asociate importurilor de materiale şi dispozitive sanitare supuse şi chiar interzise în momentele de criză, datorită controlului strict al guvernelor.

În cadrul INCDFM există know-how-ul necesar inițierii de cercetări pentru dezvoltarea unui astfel de dispozitiv de testare rapidă. Cu toate acestea, activitățile pot fi desfășurate în cooperare cu instituții şi cercetători de prestigiu în acest domeniu. În ultimii ani, atenția noastră a fost îndreptată și către activități de cercetare ce au avut ca obiectiv dezvoltarea de biosenzori cu anticorpi şi ADN. Totodată, au fost implementate cercetări pentru obținerea şi utilizarea de electrozi flexibili integrați cu componente microfluidice de cost redus. Aceste sisteme integrate reprezintă baza dispozitivelor de testare rapidă. De asemenea, se are în vedere ca metodologia de detecție a dispozitivul de testare rapidă să se bazeze pe metode colorimetrice (modificare culori), ceea ce poate permite observarea vizuală a infecției, stadiului acesteia și, nu în ultimul rând, utilizarea acestor dispozitive şi de către personalul nespecializat. Arhitectura acestor dispozitive trebuie gândită astfel încât să permită interschimbabilitatea componentelor biologice, reprezentând o platformă ce poate fi adaptată, cel puțin la nivel teoretic, detecției unui număr larg de infecții.

O a doua direcție de cercetare, care ar putea veni în sprijinul atât al personalului medical implicat în lupta pentru salvarea pacienților infectați, dar și pentru cetățenii care au nevoie de mijloace de protecție eficace, ar fi legată de folosirea unor fibre cu diametre submicrometrice pentru echipamente de protecție (în special filtre pentru măști). Este cunoscut faptul că virusul are dimensiuni caracteristice ceva mai mari de 100 nm (de 1000 de ori mai mic decât grosimea unui fir de păr), dar el este transportat în general de picături de lichid (salivă) sau de particule de praf cu dimensiuni submicrometrice. Majoritatea materialelor textile nu sunt eficiente în acest caz, iar materialele speciale sunt scumpe și în actualul context greu de procurat. Mai mult decât atât, performanțele dispozitivelor importate sunt de multe ori discutabile. Tehnologiile de filare și echipamentele dezvoltate de institut pentru acest scop pot fi transferate unei companii interesată să scaleze producția de fibre submicrometrice pentru realizarea de dispozitive de protecție specifice și sigure în actualul context.

2. Platformă de monitorizare şi decontaminare. Această tematică intră în categoria măsurilor de prevenţie a răspândirii unei epidemii, precum şi în categoria măsurilor de triere a persoanelor susceptibile a fi infectate cu virusul COVID-19. INCDFM este deja implicat în dezvoltarea unor sisteme integrate de intervenţie în cazul unor incidente tip CBRN, în speţă a celor asociate unor acţiuni infracţionale, a căror posibilitate de apariţie, inclusiv la nivel naţional, devine din ce în ce mai mare. În acest sens, participăm la un proiect de tip Soluţii în derulare, care are ca obiectiv fundamentarea ştiinţifică, configurarea corespunzătoare, implementarea, optimizarea şi testarea unui astfel de sistem multicomponent compus din: (i) aplicaţia informatică pentru monitorizarea evoluţiei şi evaluarea efectelor incidentelor CBRN, (ii) sistemul de senzori dedicaţi dispuşi într-o configuraţie inovativă şi (iii) complexul modular şi baza metodologică de evaluare a cacteristicilor exploziilor cu componente CBRN.

Expertiza dobândită în acest proiect, atât pe partea de modelare, cât şi pe partea de integrare a senzorilor radiologici într-un dispozitiv mobil de evaluare a riscurilor în cazul unui atac de tip nuclear, poate fi utilă şi în modelarea răspândirii virusului COVID-19, precum şi în dezvoltarea unor echipamente mobile de decontaminare biologică şi monitorizare a riscului de îmbolnăvire cu virusul COVID-19, prin măsurarea temperaturii celor suspecţi de infectare. INCDFM are deja expertiză în realizarea de materiale pentru detecţia în infraroşu, acestea putând fi utilizate şi în dispozitive de măsurare a temperaturii de la distanţă. De altfel, monitorizarea temperaturii corporale este una din metodele de triere utilizate pentru a depista pacienţii suspecţi de a fi infectaţi cu virusul COVID-19, numai că pentru această triere se utilizează pirometre portabile, care necesită o apropiere considerabilă între pacient şi cel care utilizează pirometrul pentru măsurarea temperaturii. O soluţie mai sigură ar consta în utilizarea unui monitor fix de temperatură, în faţa căruia se aşează pacientul, indicaţia de temperatură putând apare pe un ecran situat la o distanţă sigură, eventual în altă cameră. Se elimină astfel posibilitatea contaminării prin apropiere, la o distanţă prea mică, de un posibil infectat cu COVID-19.

3. Modelarea răspândirii virusului. INCDFM poate contribui cu soluţii inovative legate de modelarea dinamicii răspândirii virusului SARS-CoV-2 pe teritoriul României, prin transpunerea adecvată a modelelor statistice utilizate în mod curent în fizica sistemelor multi-particulă. În acest mod se poate baleia întreaga clasă de modele folosite în virusologia actuală, începând de la modelele statistice simple aplicabile unui comportament social mediat (comportamental mean-field models) specific sistemelor omogene, până la modelele cele mai complicate aplicabile sistemelor sociale neomogene cu comportament aleatoriu (modele epidemiologice de tip reţea). Astfel, pot fi propuse noi modele epidemiologice bazate pe generalizarea şi adaptarea parametrică a evoluţiei aleatoare a unei populaţii aflate în permanentă mişcare şi interacţiune comunicativă, care poate fi echivalată fie cu un sistem dezordonat de puncte materiale aflate în mişcare Browniană, cu probabilitate modelabilă de interacţiune, fie cu un sistem dezordonat de momente magnetice ale căror poziţii medii evoluează în timp şi care au o probabilitate modelabilă de a se cupla în clusteri magnetici. În ambele cazuri aplicabile sistemelor de tip reţea de entităţi (particule, momente magnetice sau indivizi) se poate urmări nu numai evoluţia în timp a contaminării (parametru de ieşire tipic comportamentelor sociale mediate), ci şi evoluţia spaţială a acesteia (reflectată spre exemplu de dinamica şi evoluţia spaţio-temporală a clusterizării momentelor magnetice).

Fără îndoială, soluţiile propuse de institut, bazate pe astfel de echivalente au marele avantaj al utilizării unor modele fizice versatile, uşor verificabile experimental şi capabile să permită corespondențe credibile şi intuitive între parametrii specifici sistemelor materiale şi respectiv sistemelor epidemiologice. Se pot realiza astfel softuri specifice, care să prezică evoluţia contaminării virusologice, cu localizarea grupurilor contaminate (clusterilor) într-o populaţie dată, în funcţie de un set de parametri scalabili pe baza datelor din primele stadii ale contaminării.