Μια καινοτόμος ανακάλυψη έρχεται από το επιστημονικό δυναμικό της Ελλάδας. Ερευνητική ομάδα ανέπτυξε έναν πρωτοποριακό ανοσοαισθητήρα, ο οποίος επιτρέπει την ταυτόχρονη ανίχνευση των επικίνδυνων παθογόνων μικροοργανισμών Salmonella και Escherichia coli (E. Coli) στο γάλα με τα αποτελέσματα να βγαίνουν σε χρόνο που αποτελεί ρεκόρ για τέτοιου είδους αναλύσεις.
Εκεί που οι παραδοσιακές μέθοδοι απαιτούν χρονοβόρες εργαστηριακές καλλιέργειες για τα αποτελέσματα – πάνω από 24 έως 48 ώρες – η νέα ελληνική τεχνολογία ολοκληρώνει τον έλεγχο σε μόλις 15 λεπτά της ώρας.
Η ελληνική τεχνολογία αιχμής δεν εξασφαλίζει μόνο ταχύτατο έλεγχο στο γάλα. Η υψηλή ακρίβεια του αισθητήρα έρχεται να προσφέρει ένα πανίσχυρο εργαλείο στη βιομηχανία τροφίμων, διασφαλίζοντας ότι το γάλα που φτάνει στο ράφι είναι απόλυτα ασφαλές για τον καταναλωτή.
Η επιστημονική μελέτη δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο διεθνές περιοδικό Food Control. Πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Immunoassays–Immunosensors Lab του Ινστιτούτου Πυρηνικών και Ραδιολογικών Επιστημών & Τεχνολογίας, Ενέργειας & Ασφάλειας του Εθνικού Κέντρου Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος», σε συνεργασία με το Photonic Devices and Systems Group του Ινστιτούτου Νανοεπιστήμης & Νανοτεχνολογίας του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» και το Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του Τμήματος Χημείας του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών.
Την επιστημονική δημοσίευση υπογράφουν οι Δήμητρα Κούρτη, Μιχαηλία Αγγελοπούλου, Ελένη Μακαρώνα, Αναστάσιος Οικονόμου, Παναγιώτα Πέτρου, Κωνσταντίνος Μισιάκος και Σωτήριος Κακαμπάκος (πατήστε ΕΔΩ για να δείτε αναλυτικά τη μελέτη).
Ασφαλές γάλα σε χρόνο ρεκόρ
Το γάλα μπορεί να μολυνθεί με παθογόνα βακτήρια όπως η Salmonella typhimurium και η Escherichia coli, τα οποία μάλιστα μπορούν να προκαλέσουν οξείες – τροφιμογενείς – ασθένειες. Στην μελέτη των ερευνητών, παρουσιάζεται ένας οπτικός ανοσοαισθητήρας που είναι ειδικά σχεδιασμένος για την ταυτόχρονη ανίχνευση αυτών των δύο βακτηρίων σε δείγματα γάλακτος.
Ο αισθητήρας βασίζεται σε φωτονική ψηφίδα (τσιπ) πυριτίου που ενσωματώνει δύο αισθητήρες που βασίζονται στην Ευρυζωνική Συμβολομετρία Mach-Zehnder (Broad-band Mach-Zehnder, ΒΒ-ΜΖΙ). Η ΒΒ-ΜΖΙ αποτελεί και αυτή μια αρχή λειτουργίας οπτικής ανίχνευσης που αναπτύχθηκε και κατοχυρώθηκε ως πατέντα στο ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».
Δύο είναι οι μεγάλες καινοτομίες του συγκεκριμένου συστήματος, που το καθιστούν φορητό και το διαφοροποιούν από τις υπάρχουσες λύσεις (πέρα από την υψηλή του ευαισθησία):
Αφ΄ενός μέν οι ψηφίδες μπορούν να εμβαπτιστούν απευεθείας στο δείγμα χωρίς να χρειάζονται σωλήνες και αντλίες για την παροχέτευση του δείγματος και αφ΄ετέρου δε, λειτουργούν με ένα λευκό LED και δεν επαφίενται στη χρήση laser.
Η ανταγωνιστική ανοσοδοκιμασία ολοκληρώθηκε σε μόλις 15 λεπτά και επέτρεψε όρια ανίχνευσης μόλις 45 βακτηρίων ανά ml για το S. Typhimurium και 125 βακτηρίων ml για το E. Coli στο γάλα. Πρόκειται για εξαιρετικά χαμηλό όριο ανίχνευσης, δεδομένου ότι το βακτήριο αυτό μπορεί να προκαλέσει μόλυνση ακόμα και σε πολύ μικρές ποσότητες.
Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι το σύστημα μπορεί να εντοπίσει και την παρουσία ενός και μόνο βακτηρίου σε 25 γραμμάρια γάλακτος μέσα σε μία ημέρα. Αυτό επιτυγχάνεται με την προσθήκη ενός σύντομου σταδίου προ-εμπλουτισμού διάρκειας 8 ωρών. Και αυτό, ενσωματώνεται σε μια ταχεία διαδικασία ανάλυσης που ολοκληρώνεται σε μόλις 45 λεπτά, σύμφωνα με τη επιστημονική μελέτη.
Χαρακηριστικά όπώς η εξαιρετική απόδοση του αισθητήρα, η δυνατότητα ποσοτικών προσδιορισμών και ο σχεδιασμός της ψηφίδας, που τον καθιστά φορητό – απαλλαγμένο από σωληνάκια και αντλίες, τον μετατρέπουν σε ένα ισχυρό πρακτικό και ευέλικτο εργαλείο για την ανίχνευση βακτηρίων στο γάλα. Με δυο λόγια, ιδανικό για χρήση απευθείας στα σημεία παραγωγής και επεξεργασίας γάλακτος.
Τα βακτήρια και η διπλή «ασπίδα» στο γάλα
Τα βακτήρια είναι η πλέον άφθονη μορφή ζωής. Κατοικούν σχεδόν σε κάθε περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπινου σώματος. Το πεπτικό σύστημα φιλοξενεί έναν τεράστιο αριθμό βακτηρίων που βοηθούν στην απορρόφηση θρεπτικών συστατικών, στην αποσύνθεση των τροφίμων και στην αναστολή της ανάπτυξης επιβλαβών μικροβίων.
Ωστόσο, ακόμη και τα ευεργετικά βακτήρια μπορούν να γίνουν επιβλαβή εάν εισαχθούν στο σώμα μέσω μολυσμένων τροφίμων ή νερού. Σε αυτή την περίπτωση προκαλούν συμπτώματα που κυμαίνονται από ήπια έως σοβαρά, ανάλογα με τη λοιμογόνο δύναμη του βακτηρίου και την κατάσταση του ανοσοποιητικού συστήματος του ξενιστή.
Η Salmonella typhimurium (S. typhimurium) και η Escherichia coli O157:H7 (E. coli O157:H7) είναι από τα πλέον κοινά βακτηριακά παθογόνα που ευθύνονται για τα ξεσπάσματα τροφιμογενών ασθενειών.
Το S. typhimurium προκαλεί μη τυφοειδή σαλμονέλωση, μια ασθένεια που χαρακτηρίζεται από οξύ πυρετό, κοιλιακό άλγος και διάρροια. Μια αξιοσημείωτη έξαρση το 2022, που συνδέεται με μολυσμένα προϊόντα σοκολάτας, επηρέασε κυρίως παιδιά ηλικίας 10 ετών και κάτω. Προηγούμενες επιδημίες έχουν επίσης συσχετιστεί με ένα ευρύ φάσμα μολυσμένων τροφίμων, όπως φρέσκο βασιλικό, φύτρα μηδικής, προσυσκευασμένες σαλάτες, σαλάτα κοτόπουλου, αποξηραμένη καρύδα, κιμάς βοδινού, ντομάτες και παστεριωμένο γάλα.
Αντίθετα, το Escherichia coli είναι ένα Gram-αρνητικό, εξωκυτταρικό παθογόνο. Μεταξύ των πολλών οροτύπων του, το E. coli O157:H7 προκαλεί ιδιαίτερη ανησυχία για τη δημόσια υγεία λόγω της παραγωγής τοξινών Shiga. Αυτές μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές γαστρεντερικές ασθένειες όπως αιμορραγική κολίτιδα και αιμολυτικό-ουραιμικό σύνδρομο (HUS).
Πρόκειται για μια σοβαρή επιπλοκή που μπορεί να οδηγήσει σε νεφρική ανεπάρκεια, καθιστώντας την άμεση ανίχνευση του βακτηρίου στο γάλα ζήτημα ζωτικής σημασίας για την προστασία καταναλωτών.
Ας σημειωθεί ότι οι λοιμώξεις από E. coli έχουν επίσης συσχετιστεί με ψυχικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένης της κατάθλιψης. Αυτή η σύνδεση πιστεύεται ότι προκύπτει από διαταραχές στο εντερικό μικροβίωμα και την σχετική απελευθέρωση προφλεγμονωδών κυτοκινών που μπορούν να επηρεάσουν τη συναισθηματική ρύθμιση.
Η πιο πρόσφατη έξαρση του E. coli O157:H7 καταγράφηκε το 2024 και συνδέθηκε με μολυσμένο ωμό τυρί τσένταρ. Μεταξύ των έντεκα αναφερόμενων κρουσμάτων, δύο ανέπτυξαν HUS. Προηγούμενα κρούσματα έχουν εντοπιστεί σε προϊόντα όπως σπανάκι, μαρούλι, κατεψυγμένα μπιφτέκια βοδινού και βιολογικά καρύδια.
Για την προστασία των καταναλωτών, η Ευρωπαϊκή Ένωση επιβάλλει αυστηρά μικροβιολογικά κριτήρια: Τα είδη Salmonella πρέπει να απουσιάζουν τόσο από το ωμό όσο και από το παστεριωμένο γάλα, ενώ για τα Enterobacteriaceae, συμπεριλαμβανομένου του E. coli O157:H7, στο παστεριωμένο γάλα, τουλάχιστον τρία στα πέντε δείγματα πρέπει να περιέχουν λιγότερα από 1 βακτήριο ανά ml ενώ τα υπόλοιπα δύο επιτρέπονται έως 5 βακτήρια ανά ml.
Όπως είναι, λοιπόν, προφανές, είναι σοβαροί οι κίνδυνοι για την υγεία που θέτουν τα S. typhimurium και E. coli O157:H7. Και η έγκαιρη ανίχνευση είναι κρίσιμη για την πρόληψη των επιδημιών, τη διασφάλιση της ασφάλειας των τροφίμων και την προστασία της δημόσιας υγείας.
Μπορεί να έχει αναπτυχθεί ένα ευρύ φάσμα μεθόδων ανίχνευσης για την αναγνώριση και την ποσοτικοποίηση παθογόνων βακτηρίων, από παραδοσιακές τεχνικές καλλιέργειας μέχρι προηγμένες μοριακές και ανοσοχημικές δοκιμασίες. Μέθοδοι καλλιέργειας, όπως η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) και οι ενζυμικές ανοσοπροσροφητικές δοκιμασίες είναι εξαιρετικά αξιόπιστες, αλλά χρονοβόρες: Συχνά απαιτούν περισσότερες από 24 ώρες για την παροχή αποτελεσμάτων.
Και την ανάγκη για γρήγορα και αξιόπιστα αποτελέσματα έρχεται να καλύψει η ανακάλυψη των Ελλήνων επιστημόνων: Και ο φωτονικός αισθητήρας που ανέπτυξαν χρησιμοποιείται για πρώτη φορά για την ταυτόχρονη ανίχνευση δύο βακτηρίων – του S. typhimurium και του E. coli O157:H7 – σε δείγματα γάλακτος.
Μείωση του κόστους
Η αναγέννηση και η επαναχρησιμοποίηση του ανοσοαισθητήρα των Ελλήνων ερευνητών σε πολλαπλούς κύκλους μέτρησης επιτρέπει τη μείωση του κόστους ανά ανάλυση, καθώς ένα μόνο τσιπ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλαπλούς προσδιορισμούς.
Στον αισθητήρα δεν απαιτούνται ηλεκτρικές συνδέσεις και η ευθυγράμμιση με την οπτική ίνα πραγματοποιείται μηχανικά μέσω ενός ειδικά σχεδιασμένου τρισδιάστατα εκτυπωμένου ζεύκτη.
Έχει έτσι όλα τα χαρακτηριστικά για να εξελιχθεί σε ένα πολύτιμο εργαλείο για τη βιομηχανία τροφίμων και τις ρυθμιστικές αρχές ώστε να μειώνονται στο ελάχιστο οι επιπτώσεις στη δημόσια υγεία καθώς και όλα τα οικονομικά βάρη από τις επιδημίες βακτηριακής μόλυνσης.
Η έρευνα συγχρηματοδοτήθηκε από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Ένωσης και εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος Ανταγωνιστικότητα, Επιχειρηματικότητα και Καινοτομία, στο πλαίσιο της πρόσκλησης ΕΡΕΥΝΩ–ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ–ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ και το πρόγραμμα Έρευνας και Καινοτομίας Ορίζοντας 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης μέσω της συμφωνίας επιχορήγησης Marie Sklodowska-Curie.
