Developing integrated optical structures, with special respect to
applications in medical diagnostics
Authors: Petrovszki Dániel 
Published: July 2023

A PhD disszertációmban két, integrált optikai (IO) struktúrákon alapuló
jelölésmentes optikai bioszenzort ismertetek, amelyek feladata kórokozók –
baktériumsejtek, vírusfehérjék – érzékeny, gyors kimutatása folyadékmintából,
amelyek alapul szolgálhatnak klinikai gyorstesztekhez. Ezen típusú eszközökkel
specifikus, költséghatékony, felhasználóbarát, hordozható módon valósítható meg
a detektálás az optikai jel megváltozása által, kellő érzékenység mellett. Így a
gyakorlatban betegágymelletti („point-of-care”, POC) vagy otthoni
gyorstesztekként lehetnek potenciálisan alkalmazhatók a diagnózis
felállításához, ígéretes alternatívát nyújtva a hagyományos laboratóriumi
teszteknek. Munkám során a kismennyiségű folyadékminta kezeléséhez a
bioszenzorokat üveghordozón létrehozott, mikrofluidikai csatornába integrált
hullámvezetők formájában terveztem meg. Detektálásuk alapja, hogy a
hullámvezetőben teljes visszaverődéssel terjedő fény kis távolságban, a felület
közelében, behatol a szomszédos közegekbe is, ezt hívjuk evaneszcens térnek. Ha
a felületre kórokozó kötődik ki, megváltozhat a struktúrában terjedő fény
fázisa, illetve az ki is szóródhat a környező közegbe, amely érzékelhető. A
felület előzetes biológiai felismerőelemmel történő bevonásával – pl.
antitesttel – ez specifikusan is megvalósulhat. Első alkalmazásként egy olyan
elektro-optikai bioszenzort kívántam elkészíteni, amely alkalmas baktériumok
testfolyadékokból való jelölésmentes, gyors, szelektív és érzékeny kimutatására.
A célsejteken szóródó evaneszcens hullámok okozta fényszórás-mintázatok
feldolgozásán alapuló mérési elvének alkalmazhatóságát Escherichia coli
baktériumsejtek szuszpenzióból történő kvantitatív kimutatásával demonstráltam.
A bioszenzor érzékenységének növelésére a célsejtek polarizálhatóságát
felhasználó dielektroforézis jelenségét használtam fel, amely révén a
hullámvezető közelébe helyezett elektródák felületén a sejtek szelektív
gyűjtése, majd azok evaneszcens-tér alapuló detektálása megvalósítható volt. A
bioszenzorral főként a baktériumok nemspecifikus detektálását valósítottam meg,
azonban a dielektroforetikus sejtgyűjtés által, több vizsgálattal bizonyítani
tudtam a méretszelektív érzékelés megvalósíthatóságát. Az eszközzel végzett
mérések paramétereinek optimalizálásával elért, 10 percig tartó – a sejtgyűjtést
is magában foglaló – mérési idő gyorsnak tekinthető. A kísérleti módszer
érzékenysége 10^2 CFU/ml (kolóniaformáló egység /ml) kimutatási határral
jellemezhető, amely releváns érték egyes kórokozók testfolyadékokban (pl.
vizeletben) fellépő koncentrációja szempontjából. Disszertációmban egy második
alkalmazás is bemutatásra kerül, ez esetben egy miniatűr
Mach-Zehnder-interferométer alapú bioszenzort hoztam létre és alkalmaztam
vírusfehérjék specifikus, mennyiségi kimutatására. Az interferometrikus mérési
elvnek köszönhetően a célfehérjék gyors, pontos detektálása végezhető el. Az
eszközzel a koronavírus (SARS-CoV-2) fertőzés potenciális neuroinvazív jellegét
kívántam vizsgálni, amely szempontból a vírusfelszíni tüskefehérje vér-agy gátra
gyakorolt patológiás hatásai nagy jelentőséggel bírnak az elnyúló tünetek
esetén. Továbbá a fertőzés bélrendszerben is tüneteket okozhat. Ennél az
alkalmazásnál ezért a konkrét cél az interferométer alapuló bioszenzorral a
koronavírus felületi tüskefehérje S1 alegységének az in vitro humán vér-agy gát,
illetve bélhám biológiai gátrendszer modelleken való átjutási képességének
jellemzése volt. Így kísérleteket terveztünk a bioszenzorral a - kooperációs
partnereink által készített biológiai gátrendszer-modelleken elvégzett
permeabilitásvizsgálatok során esetlegesen átjutott - tüskefehérjék specifikus,
mennyiségi kimutatására. A specifikus detektálás elérésére az interferométer
mérőágának hullámvezető-felületét specifikus S1 fehérje antitesttel
funkcionalizáltam. Az optimális, stabil mérési feltételek eléréséhez az
interferométer munkapontját hőmérséklettel állítottam be. A bioszenzorral
meghatározható volt a gátrendszereken átjutott S1 fehérje mennyisége, valamint
az is megállapítható volt, hogy a kétféle gát-modellen ez eltérőnek mértékű. A
bioszenzorral végzett kísérletek eredményei összhangban voltak a hagyományos
immunológiai tesztekéivel (ELISA). Az IO Mach-Zehnder interferométer
bioszenzorral végzett kísérletek alapján tehát bebizonyosodott, hogy az eszköz
alkalmazható lehet hasonló orvosi diagnosztikai célokra, így a SARS-CoV-2 emberi
szervezetre gyakorolt káros hatásainak vizsgálatához is hozzájárulhat.