Αυτό που αντιλαμβάνεται όποιος/α συζητά για πρώτη φορά με την Δρα Ιουλία Τζουβαδάκη είναι ότι μπορεί να κατασκευάσει ό,τι είδους βιο-αισθητήρα της ζητηθεί. Και αυτό δεν είναι υπερβολή, αφού η καθηγήτρια στο Κέντρο Τεχνολογίας Μικροσυστημάτων (CMST) στο Πανεπιστήμιο της Γάνδης στο Βέλγιο, εστιάζει σε αυτούς ένα μεγάλο κομμάτι της έρευνάς της.
Και εμείς για βιο-αισθητήρες συζητάμε μέσα από την οθόνη του υπολογιστή και συγκεκριμένα για το έργο ‘NEFELI: Neuromorphic Flexible Electro/chemical Interface for in Memory Bio-Sensing and Computing’ (Νευρομορφική Ευέλικτη ηλεκτροχημική διεπαφή για βιο-αισθητήρα και υπολογισμό μνήμης), για το οποίο η ερευνήτρια μόλις απέσπασε την άκρως ανταγωνιστική χρηματοδότηση του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας (ERC) στην κατηγορία «Starting Grant» (χρηματοδότηση εκκίνησης) ύψους 1,5 εκατομμυρίου ευρώ για 5 χρόνια.
Οι επιχορηγήσεις εκκίνησης του ERC χορηγούνται από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας σε ερευνήτριες και ερευνητές από όλους τους κλάδους έως και επτά έτη μετά το διδακτορικό τους και απευθύνονται σε όσες και όσους βρίσκονται στην αρχή της σταδιοδρομίας τους αλλά έχουν ήδη παραγάγει εξαιρετικό ερευνητικό έργο και θα ήθελαν να διενεργήσουν την δική τους ανεξάρτητη έρευνα ή να συστήσουν την δική τους ομάδα εργασίας. Φέτος το ERC από τις 3474 προτάσεις που δέχθηκε, ενέκρινε 493 και η ‘NEFELI’ της Δρα Τζουβαδάκη ήταν μια από αυτές.
«Μου αρέσει να δίνω στα πρότζεκτ μου ελληνικά ονόματα για αυτό και το ονόμασα Νεφέλη. Το προηγούμενο πρότζεκτ για το οποίο απέσπασα μεταδιδακτορική υποτροφία Marie Curie, το είχα ονομάσει Νέμεσις», σχολιάζει η ίδια.
Οι ερευνητικοί τομείς στους οποίους εστιάζει η κα. Τζουβαδάκη είναι τα Micro/nano-ηλεκτρονικά συστήματα οι αισθητήρες υγείας (wearable and point-of-care), τα Bio-sensing συστήματα για ανίχνευση βιο-δεικτών με στόχο τηn διάγνωση ασθενειών και την παρακολούθηση θεραπευτικών ουσιών και φαρμάκων, τα νευρομορφικά συστήματα και οι τεχνολογίες Memristors, τα μικρορευστομηχανικά συστήματα και οι μικρο/νανο-βιο-αισθητήρες.
Ανιχνεύοντας νευροεκφυλιστικές διαταραχές
Επιστήμονες σε ολόκληρο τον κόσμο εξακολουθούν να δοκιμάζουν εμφυτεύσιμα συστήματα και βιο-ηλεκτρονικές τεχνολογίες για να πραγματοποιήσουν εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος. Συνήθως επεξεργάζονται χωριστά τα ηλεκτρικά και τα βιοχημικά σήματα και αυτή η επεξεργασία απαιτεί πολύπλοκο εξοπλισμό και διατάξεις. Επιπλέον, τα παραδοσιακά συστήματα έχουν κάποιους περιορισμούς στην αποτελεσματική διαχείριση του αυξανόμενου όγκου δεδομένων επειδή τα στοιχεία για την ανίχνευση, την αποθήκευση και την επεξεργασία πληροφοριών είναι φυσικά διαχωρισμένα.
Στο έργο NEFELI η Ελληνίδα επιστήμονας στοχεύει να αναπτύξει μια πολύ μικρή, εμφυτεύσιμη τεχνολογία που χρησιμοποιεί εξειδικευμένες νευρομορφικές συσκευές. Αυτή η τεχνολογία θα μπορεί να μετρήσει (βιο-ανίχνευση) και να επεξεργαστεί (κατηγοριοποίηση) ταυτόχρονα πολλαπλούς χημικούς και ηλεκτρικούς βιοδείκτες που σχετίζονται και σηματοδοτούν είτε εκφυλιστικές διαταραχές του νευρικού συστήματος, είτε νευροεκφυλιστικά νοσήματα, μειώνοντας τον μεγάλο όγκο δεδομένων που καταλήγουν στις εμφυτεύσιμες συσκευές και παρέχοντας άμεσες πληροφορίες για στοχευμένες θεραπείες.
«Το καινοτόμο εδώ είναι ότι θα μπορέσουμε να κάνουμε απευθείας ταξινόμηση των δεδομένων, δηλαδή να πάρουμε μόνο τις σημαντικές πληροφορίες, αυτές που μας ενδιαφέρουν και όχι όλο το input που λαμβάνουμε συνήθως, πράγμα που θα διευκολύνει την θεραπεία», εξηγεί η ίδια, επισημαίνοντας πως αυτή είναι η πρώτη φορά που επιχειρείται κάτι τέτοιο.
Συνδυάζοντας, όπως λέει τη μέτρηση και την κατηγοριοποίηση πολλαπλών δεδομένων και μειώνοντας την ανάγκη για ενεργοβόρα επεξεργασία δεδομένων, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για νέα, προηγμένα ιατρικά συστήματα.
Η Δρ Τζουβαδάκη επέλεξε να επικεντρωθεί στα νευροεκφυλιστικά νοσήματα και ειδικότερα στη νόσο του Πάρκινσον γιατί αφενός δεν υπάρχει ακόμη αιτιολογική και οριστική θεραπεία και αφετέρου γιατί μέχρι τώρα οι υφιστάμενες συσκευές ανιχνεύουν και μελετούν χωριστά τους χημικούς και τους ηλεκτρικούς βιοδείκτες.
«Αποφασίσαμε μάλιστα με την ομάδα μου να ανιχνεύσουμε όχι μόνο ένα είδος αλλά πολλά είδη βιοδεικτών, νευροδιαβιβαστές για παράδειγμα, καθώς και άλλους πρωτεϊνικούς βιοδείκτες, και σε όσο πιο χαμηλές συγκεντρώσεις γίνεται έτσι ώστε να προλάβουμε την ασθένεια στην αρχή της», προσθέτει η επιστήμονας.
Με στόχο την ‘επανάσταση’ στους βιο-αισθητήρες
Αν και τα νευρωνικά δίκτυα ήταν αυτά που βοήθησαν τους επιστήμονες να πάρουν μαθήματα από την δομή και τη λειτουργία του ανθρώπινου εγκεφάλου, ένας ξεχωριστός κλάδος που ονομάζεται νευρομορφικό computing και νευρομορφικά συστήματα (devices/hardware) που βασίζεται στην προσέγγιση της συμπεριφοράς μεμονωμένων νευρώνων, φαίνεται πως ανοίγει νέους δρόμους έρευνας.
Μακροπρόθεσμος στόχος της Ελληνίδας καθηγήτριας είναι να φέρει σημαντική πρόοδο στη βιοηλεκτρονική και στην παρακολούθηση της ανθρώπινης υγείας και ευεξίας με βιο-αισθητήρες. Ως ‘εργαλεία’ έρευνας χρησιμοποιεί νευρομορφικά συστήματα και συγκεκριμένα τα μεμρίστορς. Οι τεχνολογίες Memristors (memory resistor ή μνημονική αντίσταση) επιδεικνύουν εντυπωσιακές επιδόσεις στην αποθήκευση δεδομένων, αναδύονται ως βιο-αισθητήρες και ως φυσικοί επεξεργαστές αναλογικών σημάτων ή στο πλαίσιο προηγμένων αρχιτεκτονικών υπολογιστών.
Η Δρ Ιουλία Τζουβαδάκη αποφοίτησε από το Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ, συνέχισε μεταπτυχιακές σπουδές στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και εκπόνησε την διδακτορική της διατριβή στην Πολυτεχνική Σχολή της Λοζάνης (EPFL). Μάλιστα η διατριβή της διακρίθηκε με το Thesis Distinction - EPFL Microsystems & Microelectronics το 2018 και συμπεριλήφθηκε στο 8% των διατριβών υψηλής ποιότητας του εκπαιδευτικού ιδρύματος.
«H ανίχνευση του καρκίνου του προστάτη σε αρχικά στάδια ήταν και ο βασικός ερευνητικός στόχος στο διδακτορικό μου στο Swiss Federal Institute of Technology Lausanne, Switzerland. Για το σκοπό αυτό ανέπτυξα τους πρώτους βιο-αισθητήρες μεμρίστορς βασιζόμενους σε νανονήματα πυριτίου και απταμερή DNA καθώς και βιο-αισθητήρες βασιζόμενους στο γραφένιο, σε συνεργασία με την IBM στη Ζυρίχη», αναφέρει η ίδια.
Αργότερα μετακινήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ των ΗΠΑ ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια, όπου συμμετείχε σε μια μεγάλη διεπιστημονική προσπάθεια δύο ερευνητικών έργων με στόχο τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη αισθητήρων για την παρακολούθηση της ανθρώπινης υγείας και απόδοσης μέσω του ιδρώτα. «Η συνδρομή μου στην ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στον σχεδιασμό της πλατφόρμας ανίχνευσης πολλαπλών βιο-δεικτών στον ιδρώτα του ανθρωπίνου σώματος», συμπληρώνει.
Για τη μελέτη βιο-δεικτών φλεγμονής και καρκίνου του προστάτη η Δρ Τζουβαδάκη απέσπασε μεταδιδακτορική υποτροφία Marie Curie “Neuron-based Monitoring Electrochemical Bio-Sensor Interface System (NeMESIS): H2020-MSCA-IF, 2017”, για να διεξάγει την έρευνά της στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον (UK). Από το 2022 η Δρα. Ιουλία Τζουβαδάκη είναι καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Γάνδης, στο Βέλγιο, διδάσκει και αναπτύσσει τη δική της έρευνα με την ομάδα της
Σύμφωνα με την Δρα Τζουβαδάκη, η λειτουργία των ανθρώπινων οργάνων και συστημάτων βασίζεται σε έναν συνδυαστικό σχήμα ηλεκτρικών και χημικών σημάτων που τελικά προσφέρουν ένα ευρύ ρεπερτόριο βιο-δεικτών. Ενώ οι βιο-αισθητήρες επιδίδονται στο ‘κυνήγι’ αυτών των διαφορετικών σημάτων, χρειάζεται η εξαγωγή και ο ποσοτικός και ποιοτικός προσδιορισμός μοτίβων που μεταφέρουν σχετικές λειτουργικές πληροφορίες. Καθώς το σύνολο των βιο-δεικτών διευρύνεται, μαζί με την ανάλυσή τους, μεγαλώνει και η πρόκληση της επεξεργασίας αυτής της αυξανόμενης ροής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
