Developing integrated optical structures, with special respect to applications in medical diagnostics

	PDF (disszertáció) Download (7MB)
	PDF (tézisfüzet) Download (212kB)
	PDF (tézisfüzet) Download (237kB)
	PDF (melléklet) Download (796kB)

Magyar nyelvű absztrakt

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.

Absztrakt (kivonat) idegen nyelven

In my dissertation, I described two label-free optical biosensors based on integrated optical (IO) structures for the sensitive, rapid detection of pathogens - bacterial cells, viral proteins - from fluid samples, which can serve as a basis for rapid clinical tests. These types of devices provide a specific, cost-effective, user-friendly and portable way of detection with sufficient sensitivity by changing the optical signal. Thus, in practice, they could potentially be used as point-of-care (POC) or home rapid diagnostic tests, offering a promising alternative to traditional laboratory assays. Their realization is supported by their integration with microfluidic channels in a lab-on-a-chip (LOC) device, for handling small volumes of fluid. Based on these aspects, biosensors were designed as waveguides, integrated in a microfluidic channel on a glass substrate, performing evanescent-field sensing. The detection method is based on the fact that the light, propagating in the waveguide with total internal reflections, penetrates into the surrounding media at a limited extent, which is called the evanescent field. Material can enter this space and become bound to the surface, which can change the phase of the light, propagating in the structure, or even scatter it into the surrounding medium. These phenomena offer the possibility of specific detection of pathogens, adhering to the surface, pre-coated with a biological recognition element, such as an antibody. As a first application, an electro-optical biosensor was developed with an evanescent field-based detection concept, aiming at label-free, rapid, selective and sensitive detection of bacteria from body fluids. The usability of the measurement principle, based on the processing of light-scattering patterns, caused by evanescent waves, scattered on target cells, was demonstrated by quantitative detection of Escherichia coli bacterial cells from their suspensions. One of the keys to the applicability of biosensors is their sensitivity. To increase it in case of this device, I applied the phenomenon of dielectrophoresis using the polarizability of the target cells. It provides the possibility to selectively collect cells on the surface of electrodes placed close to the waveguide and then detect them based on the evanescent field. To test this, I wanted to sense bacteria in an artificial urine sample containing somatic cells, in this case endothelial cells, mimicking urine in an inflammatory state. By optimizing the parameters of the measurements, a rapid, sensitive bacterial detection of about 10 minutes was achieved. The detection limit of the biosensor was comparable to the characteristic pathogen concentration in body fluids. Furthermore, selective bacterial detection was also achieved from a fluid sample containing somatic cells, mimicking inflammatory urine. In my dissertation, a second application is also presented, in this case a miniature IO Mach-Zehnder interferometer-based biosensor was developed for the specific quantitative detection of viral proteins. Thanks to the interferometric measurement principle, a fast and accurate detection of target proteins can be achieved. With this device, the aim was to investigate the potential neuroinvasion of coronavirus (SARS-CoV-2) infection, from which point of view the pathological effects of viral surface spike proteins on the blood-brain barrier are of great importance in the case of severe symptoms. Furthermore, infection may also cause adverse effects in the intestinal tract. Thus, the specific aim of this application was to evaluate the ability of the S1 subunit of the coronavirus surface spike protein to cross the human in vitro blood-brain barrier and intestinal epithelial biological barrier system models using the biosensor. Experiments were designed to use the sensor for specific, quantitative detection of spike proteins, that may have been passed through permeability assays on biological barrier models prepared by our collaborators. To reach the specific sensing of the target protein, the waveguide surface of the interferometer’s measuring arm was functionalized with specific S1 protein antibody. To achieve optimal, stable measurement conditions, the operating point of the interferometer was adjusted thermo-optically. The results of the experiments with the biosensor were in agreement with the ones of the conventional immunological tests (ELISA) carried out in parallel. It was possible to determine that S1 protein could pass through the two types of barriers in different amounts. The findings of the experiments with the integrated optical Mach-Zehnder interferometer biosensor demonstrate that this detection approach can be used for similar medical diagnostic purposes, and thus can contribute to the investigation of the adverse effects of SARS-CoV-2 on the human body.

Tétel nézet