O echipă de cercetători de la Universitatea de Medicină și Farmacie (UMFIH) „Iuliu Hațieganu” din Cluj-Napoca lucrează la dezvoltarea unui dispozitiv portabil de detectare rapidă a 6 droguri, cu ajutorul unor senzori electrochimici, care să poată fi folosit de unitățile de poliție din Europa.

Noutate în domeniu

Prof. dr. Cecilia Cristea, coordonatorul Grupului de cercetare Bioelectrochimie și Biosenzori din cadrul Disciplinei de Chimie Analitica a UMFIH, a declarat pentru Cluj24 că o direcţie de cercetare majoră a ultimilor ani este reprezentată de amprentarea electrochimică a substanțelor ilicite, inclusiv a noilor substanțe psihoactive, care sunt un real pericol pentru sănătatea publică la nivel mondial.

„Dezvoltarea de senzori electrochimici integrați, portabili, cu protocol de manipulare simplu este o noutate în acest domeniu și are un impact important”, a spus Cristea.

Grupul de cercetători clujeni a fost coordonator de pachete de lucru în cadrul proiectului Horizon 2020, BorderSens, care și-a propus dezvoltarea unor dispozitive analitice descentralizate capabile să stabilească amprenta electrochimică a unor droguri, precursori și alți agenți de diluare și adulteranți, aducând informaţii utile autorităților vamale și forțelor de poliție, care sunt implicate în acest proiect ca utilizatori finali.

Experiență pe partea de senzori electrochimici

Potrivit Ceciliei Cristea (foto sus), echipa pe care o coordonează a fost implicată în multe proiecte europene de tip Horizon 2020, Horizon Europe si Era Net, care au permis membrilor acesteia, prin natura rezultatelor care trebuiau raportate, să ajungă la un nivel tehnologic cât mai aproape de punerea pe piață a dispozitivelor studiate și elaborate în cadrul disciplinei de Chimie analitică a Facultății de Farmacie din cadrul UMF IH Cluj.

„Aici dezvoltăm nu doar senzori electrochimici, ci avem mai multe direcții de cercetare.

Experiența cea mai mare o avem pe partea de senzori electrochimici, senzori care folosesc enzime, anticorpi, aptameri, dar în ultimii patru ani am adus în universitate și selecția de aptameri, care sunt secvențe scurte de ADN sau ARN care pot fi utilizate cu rol de elemente biomimetice în construcția de senzori.

În ceea ce privește rezultatele obţinute din proiectele europene, am avut șansa să facem parte din consorțiul proiectului BorderSens, care reunea patru universități, Institutul National de Criminalistică și Criminologie (NICC) din Belgia și 16 beneficiari finali, cum sunt poliții de frontieră și birouri de luptă contra crimei organizate.

În cadrul acestui proiect am pus la punct mai multe dispozitive electrochimice de detecție rapidă a drogurilor”, a precizat cercetătorul clujean.

Probe confiscate după controale

Cecilia Cristea a explicat că dispozitivul dezvoltat permite detecția de până la șase droguri din probele de stradă, senzorii fiind validați pe 300 de probe reale, confiscate de către partenerii din proiect, și anume polițiile de frontieră și polițiile din Belgia, Olanda, Suedia și România.

Probele au fost obținute în urma unor controale din aeroporturi și din porturile europene Rotterdam, Anvers, dar și de la diverse festivaluri.

Astfel, au fost multe probe analizate care au fost confirmate apoi și cu metodele standardizate, folosite de laboratoarele de criminalistică, dar şi de laboratoarele de toxicologie.

„Aceste dispozitive pe care le-am dezvoltat sunt dispozitive descentralizate, adică se iau, se atașează la un telefon celular și se pleacă pe teren.

Nu trebuie să fie adusă proba în laborator, nu se mai pierde timp cu partea de eșantionare. Așadar, este un dispozitiv care permite detectarea descentralizată oriunde se dorește: în vamă, în timpul raziilor efectuate în trafic, la festivaluri, în porturi și aeroporturi.

Vom trece, în etapa următoare, la detecția din probe biologice, care este mult mai complexă, deoarece intervin mai mulți interferenți, concentrațiile sunt mult mai mici, avem mai multe obstacole de trecut, dar rezultatele pe care le avem până acum sunt foarte promițătoare.

Am aplicat recent și pe un proiect experimental – demonstrativ, pentru a putea duce la un alt nivel de dezvoltare tehnologică acești senzori pentru detectarea din probe biologice, de exemplu din salivă”, a mai spus Cecilia Cristea.

Urmează lansarea pe piață

Proiectul BorderSens s-a derulat pe o perioadă de patru ani și a fost finanțat din fonduri europene, la conceperea dispozitivului aducându-și aportul, alături de echipa din România, echipe din Belgia, Spania și Marea Britanie, asistate de două companii, una din Spania și una din Olanda, care se vor implica și în partea de transfer tehnologic și de lansarea pe piață.

„Există în acest moment două dispozitive analitice spectrale, vorbim de tehnica Raman și tehnica cu radiaţii în domeniul infraroşu, care permit detectarea rapidă a drogurilor, dar care au o sensibilitate mult mai scăzută față de tehnica electrochimică pe care noi am pus-o la punct.

Va fi un dispozitiv destinat Ministerului de Interne, cu structurile din subordine”, a subliniat Cecilia Cristea.

Șase droguri cele mai consumate din Europa

Cecilia Cristea a mai arătat că dispozitivul dezvoltat în proiectul BorderSens poate detecta cele mai consumate 6 droguri din Europa, inclusiv din România, pentru că toate instituţiile de profil partenere în acest proiect au avut chestionare la început, în care li s-a cerut să enumere cele 20 de droguri pe care le întâlnesc cel mai frecvent în probele capturate de pe stradă și în probele confiscate din vamă.

„Pot să vă spun că e vorba de cocaină, de MDMA, amfetamine, dar şi catinone.

Dispozitivul poate fi cuplat la un telefon celular, având în interior un șir de electrozi, iar pe fiecare electrod se poate detecta un alt drog. Detecția durează aproximativ cinci minute pentru toate cele șase droguri, această durată incluzând toate etapele analizei.

Putem detecta și agenții de adulterare, pentru că drogurile confiscate conțin un procent de aproximativ 20% cocaină, amfetamină etc, în rest, sunt adulteranți, de la amidon, zahăr, cafeină, sau paracetamol. Acești compuși sunt adăugați la drog pentru a avea o cantitate mai mare de pulbere, dar și pentru  mascarea răspunsul la testele care există acum pe piață.

Deci acești agenți au și rolul de a masca semnalul compusul activ care ne interesează pe noi, cum este de exemplu cocaina”, a precizat cercetătorul clujean.

E nevoie de cantități mici de droguri

Electrozii sunt plasați în dispozitivul care conține o soluţie tampon, pentru că toate determinările care se fac cu ajutorul senzorilor electrochimici trebuie să fie făcute în soluție.

”Dispozitivul este dotat și cu un analizor de semnale, deoarece în momentul în care înregistrăm o voltamogramă, obținem o reprezentare a curentului în funcție de potențial.

Curentul, de obicei, este direct proporțional cu concentrația analitului testat. Deci, dacă se doreşte determinarea cocainei, din înălțimea semnalului se calculează concentrația, iar identificarea se face pe baza potențialului de oxidare, adică a poziţiei semnalului înregistrat.

Așa se procedează cu analiza probelor confiscate”, a mai spus prof. Cristea.

Calitățile dispozitivului

Una dintre cele două calități principale ale noului dispozitiv este faptul că este portabil, poate fi luat cuplat la un telefon mobil de tip smartphone și se poate ieși cu el pe teren.

„A doua calitate este că avem, datorită electrozilor și a modificatorilor care au fost studiați la Cluj, o selectivitate foarte bună.

Adică știm sigur că tot ceea ce determinăm cu ajutorul acelor electrozi care vin asamblați în acest dispozitiv portabil reprezintă, într-adevăr, semnalul  cocainei, semnal amfetaminei, fără să mai avem dubii că, în prezența oricărui tip de adulteranți, am putea să greșim.

Rezultatele acestor teste au fost foarte promițătoare și ne-au dat încredere că, într-adevăr, electrozii folosiți sunt foarte sensibili și foarte selectivi iar cantitățile de probă folosite sunt extrem de mici”, a mai explicat Cecilia Cristea.

Inteligența Artificială, chemată în ajutor

Echipa de la UMF IH Cluj-Napoca a analizat până acum aproximativ 300 de probe de droguri, iar pentru a acoperi cam toate matricile complexe care pot să existe, ar trebui să crească de cel puțin zece ori numărul de probe.

„Asta ar înseamnă o muncă titanică și ne-ar ajuta foarte mult implicarea colegilor de la universitățile tehnice, care lucrează pe partea de Machine Learning și Inteligență Artificială.

S-ar putea face, astfel, corelări mult mai rapide între rezultatele practice obţinute și am avea şi această parte de predictibilitate.

Adică nu mai trebuie să facem foarte multe repetări pentru analiza de probe în laborator, ci, pe baza analizei unui semnal şi compararea acestuia cu o bază de date prin intermediul unui algoritm, să avem o probabilitate de 99% privind prezenţa unui anumit drog, cum este de exemplu cocaina în probă.

Avem o echipă cu care lucrăm deja și cu care vrem să aplicăm pe un proiect în continuare în cadrul unui consorțiu cu colegii din Belgia, Olanda, Spania, Luxemburg și alte țări din Europa”, a menționat coordonatorul echipei universității clujene.

Adulteranții, compuși care maschează drogul

În momentul în care cercetătorii clujeni au început acest proiect, au făcut nenumărate analize și pe diferite tipuri de adulteranți, după care au lucrat în amestecuri binare și ternare, adăugând din ce în ce mai mulți compuși pentru a vedea care este influența acestora asupra amprentei electrochimice a drogului analizat, pentru a nu avea rezultate fals pozitive, respectiv fals negative în momentul în care se ajunge să se lucreze pe probe reale confiscate.

„Au fost niște studii pe care colegii noștri de la Universitatea din Anvers, le-au început acum zece ani și au pus la punct Narcoreader, un dispozitiv destinat doar detecției de cocaină.

Ei au determinat diferiţi metaboliți de cocaină în apa din portul Anvers.

Se face, astfel, o monitorizare continuă a calității apei și în funcție de acest lucru, deja știu care este tendința de consum de droguri în timpul săptămânii și în week-end.

Colegii din Belgia au un proiect foarte mare la nivel european, la care a aderat și România, derulat prin Agenția Națională Antidrog, și în care se face această monitorizare a apelor uzate.

Din aceste ape se pot detecta drogurile și se poate observa la nivelul unor oraşe, cum este de exemplu Bucureștiul, cum variază concentrația de droguri în aceste ape uzate în timpul săptămânii și în week-end, sugerând astfel tendinţa de consum şi tipul de drog consumat, de genul cocaină, ketamină, ecstasy”, a explicat Cecilia Cristea.

Lucrul în echipe interdisciplinare la UMF „Iuliu Hațieganu” Cluj-Napoca

Aceasta a menționat că marele avantaj al echipei de cercetători de la UMF Cluj-Napoca este faptul că a avut ocazia să lucreze în echipe interdisciplinare.

„Am ajuns la concluzia că viziunea întâlnită la nivel de țară, că doar eu pe domeniul meu știu să fac cel mai bine ce fac, e greșită. Ca să ajungem la produse pe care să le putem pune pe piață avem nevoie de echipe interdisciplinare.

Eu, la nivel de specialist pe partea de chimie analitică, știu că am nevoie de specialiști în nanomateriale, de specialiști în sinteza organică, de specialiști în microbiologie, de un om foarte bun pe partea de toxicologie, pentru că altfel nu am cum să obțin rezultate foarte bune în cercetarea aplicativă.

Și acesta este un plus pe care UMF Cluj-Napoca l-a înțeles, că echipele interdisciplinare sunt echipele câștigătoare.

Prin cele două centre de cercetare pe care universitatea le are, Medfuture și Genomică, avem acces la tehnică de ultimă oră, dar și la echipe interdisciplinare, oameni care se pricep la culturi de celule la tehnici spectrale de ultimă generaţie pe care le-au adus în universitate”, a mai arătat coordonatorul Grupului de cercetare Bioelectrochimie și Biosenzori.

Echipa de cercetători

Din Grupul de cercetare Bioelectrochimie şi Biosenzori de la Disciplina Chimie Analitică din cadrul Facultății de Farmacie a UMF „Iuliu Haţieganu” Cluj-Napoca fac parte Cecilia Cristea,   Mihaela Tertiş, Andreea Cernat, Bogdan Feier și Oana Hosu-Stăncioiu, alături de un cercetător post-doctorand și 10 doctoranzi: Ana Maria Drăgan, Florina Truță, Alexandra Canciu, Denisa Căpățînă, Alexandra Pusta, Magdolna Casian, Maria Irimeș, Teodora Lupoi, Ana Tătaru şi Paul Marţian.

Premiul ”George Emil Palade”

În 27 februarie 2024, prof. dr. Cecilia Cristea și echipa sa de cercetare au primit Premiul „George Emil Palade” pentru domeniul științific Științele Vieții, în cadrul Galei Cercetării Românești – Ediția 2024, care a avut loc la Opera Națională din București.

„Acest premiu reprezintă o recunoaștere a rezultatelor excepționale obținute în activitatea de cercetare științifică de către doamna prof. dr. Cecilia Cristea și echipa sa de cercetători, la nivel național și internațional și fost acordat de Ministerul Cercetării, Inovării și Digitalizării”, arăta UMF „Iuliu Hațieganu” Cluj-Napoca.