Developing integrated optical structures, with special respect toapplications in medical
diagnostics [Integrált optikai struktúrák fejlesztése, különös tekintettel az orvos-diagnosztikai
alkalmazásokra]
A PhD disszertációmban két, integrált optikai (IO) struktúrákon alapulójelölésmentes
optikai bioszenzort ismertetek, amelyek feladata kórokozók –baktériumsejtek, vírusfehérjék
– érzékeny, gyors kimutatása folyadékmintából,amelyek alapul szolgálhatnak klinikai
gyorstesztekhez. Ezen típusú eszközökkelspecifikus, költséghatékony, felhasználóbarát,
hordozható módon valósítható mega detektálás az optikai jel megváltozása által, kellő
érzékenység mellett. Így agyakorlatban betegágymelletti („point-of-care”, POC) vagy
otthonigyorstesztekként lehetnek potenciálisan alkalmazhatók a diagnózisfelállításához,
ígéretes alternatívát nyújtva a hagyományos laboratóriumiteszteknek. Munkám során
a kismennyiségű folyadékminta kezeléséhez abioszenzorokat üveghordozón létrehozott,
mikrofluidikai csatornába integrálthullámvezetők formájában terveztem meg. Detektálásuk
alapja, hogy ahullámvezetőben teljes visszaverődéssel terjedő fény kis távolságban,
a felületközelében, behatol a szomszédos közegekbe is, ezt hívjuk evaneszcens térnek.
Haa felületre kórokozó kötődik ki, megváltozhat a struktúrában terjedő fényfázisa,
illetve az ki is szóródhat a környező közegbe, amely érzékelhető. Afelület előzetes
biológiai felismerőelemmel történő bevonásával – pl.antitesttel – ez specifikusan
is megvalósulhat. Első alkalmazásként egy olyanelektro-optikai bioszenzort kívántam
elkészíteni, amely alkalmas baktériumoktestfolyadékokból való jelölésmentes, gyors,
szelektív és érzékeny kimutatására.A célsejteken szóródó evaneszcens hullámok okozta
fényszórás-mintázatokfeldolgozásán alapuló mérési elvének alkalmazhatóságát Escherichia
colibaktériumsejtek szuszpenzióból történő kvantitatív kimutatásával demonstráltam.A
bioszenzor érzékenységének növelésére a célsejtek polarizálhatóságátfelhasználó dielektroforézis
jelenségét használtam fel, amely révén ahullámvezető közelébe helyezett elektródák
felületén a sejtek szelektívgyűjtése, majd azok evaneszcens-tér alapuló detektálása
megvalósítható volt. Abioszenzorral főként a baktériumok nemspecifikus detektálását
valósítottam meg,azonban a dielektroforetikus sejtgyűjtés által, több vizsgálattal
bizonyítanitudtam a méretszelektív érzékelés megvalósíthatóságát. Az eszközzel végzettmérések
paramétereinek optimalizálásával elért, 10 percig tartó – a sejtgyűjtéstis magában
foglaló – mérési idő gyorsnak tekinthető. A kísérleti módszerérzékenysége 10^2 CFU/ml
(kolóniaformáló egység /ml) kimutatási határraljellemezhető, amely releváns érték
egyes kórokozók testfolyadékokban (pl.vizeletben) fellépő koncentrációja szempontjából.
Disszertációmban egy másodikalkalmazás is bemutatásra kerül, ez esetben egy miniatűrMach-Zehnder-interferométer
alapú bioszenzort hoztam létre és alkalmaztamvírusfehérjék specifikus, mennyiségi
kimutatására. Az interferometrikus mérésielvnek köszönhetően a célfehérjék gyors,
pontos detektálása végezhető el. Azeszközzel a koronavírus (SARS-CoV-2) fertőzés potenciális
neuroinvazív jellegétkívántam vizsgálni, amely szempontból a vírusfelszíni tüskefehérje
vér-agy gátragyakorolt patológiás hatásai nagy jelentőséggel bírnak az elnyúló tünetekesetén.
Továbbá a fertőzés bélrendszerben is tüneteket okozhat. Ennél azalkalmazásnál ezért
a konkrét cél az interferométer alapuló bioszenzorral akoronavírus felületi tüskefehérje
S1 alegységének az in vitro humán vér-agy gát,illetve bélhám biológiai gátrendszer
modelleken való átjutási képességénekjellemzése volt. Így kísérleteket terveztünk
a bioszenzorral a - kooperációspartnereink által készített biológiai gátrendszer-modelleken
elvégzettpermeabilitásvizsgálatok során esetlegesen átjutott - tüskefehérjék specifikus,mennyiségi
kimutatására. A specifikus detektálás elérésére az interferométermérőágának hullámvezető-felületét
specifikus S1 fehérje antitesttelfunkcionalizáltam. Az optimális, stabil mérési feltételek
eléréséhez azinterferométer munkapontját hőmérséklettel állítottam be. A bioszenzorralmeghatározható
volt a gátrendszereken átjutott S1 fehérje mennyisége, valamintaz is megállapítható
volt, hogy a kétféle gát-modellen ez eltérőnek mértékű. Abioszenzorral végzett kísérletek
eredményei összhangban voltak a hagyományosimmunológiai tesztekéivel (ELISA). Az IO
Mach-Zehnder interferométerbioszenzorral végzett kísérletek alapján tehát bebizonyosodott,
hogy az eszközalkalmazható lehet hasonló orvosi diagnosztikai célokra, így a SARS-CoV-2
emberiszervezetre gyakorolt káros hatásainak vizsgálatához is hozzájárulhat.