Patojenlerin tayini için nanomalzeme modifiye elektrokimyasal biyosensörlerin geliştirilmesi ve uygulaması
Development and application of nanomaterial-modified electrochemical biosensors for the detection of pathogens
Yazar: HÜSEYİN OĞUZHAN KAYA
Danışman: PROF. DR. HAKAN KARADENİZ ; PROF. DR. SEDA NUR TOPKAYA ÇETİN
Ege Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Analitik Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Eczacılık ve Farmakoloji = Pharmacy and Pharmacology

Özet:
Stenotrophomonas maltophilia; Gram negatif aerob bir bakteridir. En sıklıkla sebep olduğu hastane enfeksiyonları arasında cerrahi yara enfeksiyonları, kan enfeksiyonları ve akciğer enfeksiyonları bulunmaktadır. Shigella sonnei; Gram negatif fakültatif bir bakteridir. Şigelloz başta olmak üzere Shigella enfeksiyonları düşük bulaşıcı dozları ve yüksek insidanslarıyla dünyada önemli bir halk sağlığı sorunudur. Son yıllarda iki bakterinin insidanslarının ve antibiyotik dirençlerinin artması, hızlı, duyarlı ve ekonomik analiz yöntemleriyle bu bakterilerin tayinini ve antibiyotik duyarlılıklarının belirlenmesini önemli hale getirmiştir. Mevcut immünolojik, genetik ve kültür bazlı yöntemler yavaş, pahalı, seçiciliği düşük ve çok aşamalıdır. Mevcut antibiyotik duyarlılık testleri de uzun, pahalı ve zaman alıcıdır. Elektrokimyasal sensörler, kimyasallara özgül ve geri dönüşümlü olarak elektriksel sinyaller üreten küçültülmüş cihazlardır. Bu sensörlere enzim, antikor ve nükleik asit gibi biyolojik maddelerin ilavesiyle biyosensörler oluşturulur. Elektrokimyasal biyosensörler, daha hızlı, duyarlı, ucuz ve az basamaklı protokoller ile analiz imkanı sağlar. Nanomalzemelerin biyosensörlere entegrasyonu ile yüksek hassasiyet, seçicilik ve tekrarlanabilirlik elde edilir. Tek duvarlı karbon nanotüpler, bu amaçla sıklıkla kullanılarak yüksek dayanıklılık ve stabilite sağlar.
Tez çalışmasının ilk aşamasında; S. maltophilia ve S. sonnei bakterilerinin hızlı, yüksek duyarlılık, seçicilikte ve ucuz bir şekilde tespiti için ilk defa nanomalzeme modifiye elektrokimyasal DNA biyosensörleri geliştirilmiştir. İlk olarak tek duvarlı karbon nanotüpler elektrot yüzeyine pasif adsorpsiyon ile kaplanmıştır. Bu nanomalzemenin elektrot yüzeyine modifikasyonu daha stabil bir yüzey sağlamıştır. Ardından her iki bakteriye prob dizileri ayrı ayrı elektrot yüzeyine kovalent bağlanma ile tutturulmuştur. Daha sonra her iki bakteriye ait hedef diziler ile hibridizasyona geçilmiştir. Hibridizasyon nanomalzeme ve prob DNA kaplı elektrot yüzeyinde gerçekleştirilmiştir. Bakterilerin hedef DNA tayini diferansiyel puls voltametrisi ile guanin bazının oksidasyon akımı üzerinden gerçekleştirilmiştir. S. maltophilia'nın hedef DNA bölgesinin tespitinde tayin sınırı 2,21 µM ve S. sonnei'nin hedef DNA bölgesinin tespitinde tayin sınırı 1,26 µM bulunmuştur. 
DNA biyosensörlerinin S. maltophilia ve S. sonnei'ye seçicilikleri hedef dizilerden tamamen farklı olan dizi ve hedef dizilerden 3 baz farklı diziler kullanılarak değerlendirilmiştir. Geliştirilen biyosensörlerin hedef diziye verdiği yanıta göre bu dizilere verdiği yanıtlar anlamsız bulunmuştur. Mevcut yöntemlerle pahalı, zaman alıcı ve yoğun uğraş gerektiren bakteri tespiti, geliştirilen biyosensörler ile daha kısa bir prosedür ile hızlı, ucuz, duyarlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.    
Tez çalışmasının devamında; ilk defa S. maltophilia ve S. sonnei'nin trimetoprim-sülfametoksazol, levofloksasin ve ampisilin antibiyotiklerine duyarlılıklarının tespiti amacıyla kısa sürede analiz sağlayan, hassas, düşük maliyetli elektrokimyasal bir sensör sistemi geliştirilmiştir. İlk olarak bakteri canlılığının gösterilmesinde kullanılan indikatör Resazurinin elektrokimyasal özellikleri dönüşümlü voltametri ve diferansiyel puls voltametrisi ile karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal sensör ile Resazurinin tayin sınırı 19,6 µM bulunmuştur. Antibiyotik duyarlılığının elektrokimyasal tespitine geçilmeden önce her iki bakterinin antibiyotiklere duyarlılıkları disk difüzyon, sıvı mikrodilüsyon ve zamana bağlı öldürme etkinliği çalışmaları ile belirlenmiştir. Zamana bağlı öldürme etkinliği çalışmaları ile ayrıca antibiyotiklerin bakterilerin üremesini etkilediği minimum süre bulunmuştur. Elektrokimyasal çalışmalar sonucunda; S. maltophilia suşu trimetoprim-sülfametoksazol ve levofloksasine duyarlı, ampisiline dirençli bulunmuştur. S. sonnei suşu levofloksasine duyarlı, trimetoprim-sülfametoksazol ve ampisiline dirençli bulunmuştur. Elektrokimyasal yöntemle elde edilen sonuçlar klasik yöntemler ile elde edilen sonuçlarla uyumludur. Klasik yöntemlerde 18-24 saat aralığında belirlenen antibiyotik dirençlilik/duyarlılık durumu, geliştirilen elektrokimyasal sensör ile 3,5-4 saat içinde, daha az basamaklı bir prosedür ile ucuz bir şekilde başarıyla belirlenmiştir.

Abstract:
Stenotrophomonas maltophilia is a Gram-negative aerobic bacterium. Among the most common nosocomial infections it causes are surgical wound infections, bloodstream infections, and lung infections. Shigella sonnei is a Gram-negative facultative bacterium. Shigella infections such as shigellosis pose a significant global public health challenge due to low infectious doses and high incidences. Recently, the increasing incidence and antibiotic resistance of these two bacteria have made rapid, sensitive, and economical analysis methods crucial for their identification and antibiotic susceptibility testing. Current immunological, genetic, and culture-based methods are slow, expensive, less selective, and multistep. Current antibiotic susceptibility tests are also prolonged, expensive, and time-consuming. Electrochemical sensors are miniaturized devices that generate specific and reversible electrical signals in response to chemicals. These sensors form biosensors by incorporating biological materials such as enzymes, antibodies, and nucleic acids. Electrochemical biosensors provide the opportunity for analysis with faster, sensitive, cost-effective, and simplified protocols. Integration of nanomaterials into biosensors enables high sensitivity, selectivity, and repeatability. Single-walled carbon nanotubes are commonly used for this purpose, providing high durability and stability.
In the initial stage of the thesis study, nanomaterial-modified electrochemical DNA biosensors were developed for the rapid, highly sensitive, selective, and cost-effective detection of S. maltophilia and S. sonnei bacteria for the first time. Initially, single-walled carbon nanotubes were coated on the electrode surface via passive adsorption. Modification of the electrode surface with this nanomaterial provided a more stable surface. Subsequently, probe sequences specific to each bacterium were individually immobilized on the electrode surface via covalent bonding. Following this, hybridization with target sequences from both bacteria was performed. Hybridization took place on the nanomaterial and probe DNA-coated electrode surface. The determination of the target DNA of bacteria was performed using differential pulse voltammetry based on the oxidation current of the guanine base. The detection limits for the target DNA regions of S. maltophilia were found to be 2.21 µM and for S. sonnei, the detection limit was found to be 1.26 µM. 
The selectivity of DNA biosensors for S. maltophilia and S. sonnei was evaluated using sequences completely different from the target sequences and sequences differing by 3 base pairs from the target sequences. The responses of the developed biosensors to these sequences were found to be insignificant. Compared to current methods that are expensive, time-consuming, and labor-intensive for bacterial detection, the developed biosensors enable a faster, cheaper, and more sensitive detection with a shorter procedure.
In the continuation of the thesis study, for the first time, a rapid, sensitive, and cost-effective electrochemical sensor system has been developed to assess the susceptibility of S. maltophilia and S. sonnei to trimethoprim-sulfamethoxazole, levofloxacin, and ampicillin antibiotics. Initially, the electrochemical properties of the indicator Resazurin, used to demonstrate bacterial viability, were characterized using cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. The detection limit of Resazurin was determined to be 19.6 µM using an electrochemical sensor. Prior to the electrochemical assessment of antibiotic susceptibility, the susceptibility of both bacteria to antibiotics was determined using disk diffusion, broth microdilution, and time-dependent killing efficiency studies. Additionally, time-dependent killing efficiency studies identified the minimum duration at which antibiotics affect bacterial growth. Electrochemical studies revealed that the S. maltophilia strain is susceptible to trimethoprim-sulfamethoxazole and levofloxacin, but resistant to ampicillin. The S. sonnei strain is susceptible to levofloxacin, but resistant to trimethoprim-sulfamethoxazole and ampicillin. Results obtained through electrochemical methods are consistent with those obtained through traditional methods. Antibiotic resistance/susceptibility determined within 18-24 hours using traditional methods has been successfully and cheaply identified within 3.5-4 hours using the developed electrochemical sensor, with a simplified procedure.