Dániel Petrovszki

Here, we report a rapid and accurate optical method for detecting cells from liquid samples in a label-free manner. The working principle of the method is based on the interference of parts of a conical laser beam, coming from a single-mode optical fiber directly, and reflected from a flat glass surface. The glass is functionalized by antibodies against the cells to be detected from the liquid sample. Cells bound to that surface modify the reflected beam, and hence, change the resulting interference pattern, too. By registering and interpreting the variation in the image, the presence of cells from the sample can be detected. As for a demonstration, cell suspensions from a U937 cell line were used in glass chambers functionalized by antibodies (TMG6-5 (mIgG1)) to which the cells specifically bind. The limit of detection (LOD) of the method was also estimated. This proof-of-concept setup offers a cost-effective and easy-to-use way of rapid and specific detection of any type of cells (including pathogens) from suspensions (e.g., body fluids). The possible portability of the device predicts its applicability as a rapid test in clinical diagnostics.

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...

We successfully created a composite photonic structure out of porous silicon (PSi) microcavities doped by the photochromic protein, photoactive yellow protein (PYP). Massive incorporation of the protein molecules into the pores was substantiated by a 30 nm shift of the resonance dip upon functionalization, and light-induced reflectance changes of the device due to the protein photocycle were recorded. Model calculations for the photonic properties of the device were consistent with earlier results on the nonlinear optical properties of the protein, whose degree of incorporation into the PSi structure was also estimated. The successful proof-of-concept results are discussed in light of possible practical applications in the future.

The application of lab-on-a-chip technologies in in vitro cell culturing swiftly resulted in improved models of human organs compared to static culture insert-based ones. These chip devices provide controlled cell culture environments to mimic physiological functions and properties. Models of the blood-brain barrier (BBB) especially profited from this advanced technological approach. The BBB represents the tightest endothelial barrier within the vasculature with high electric resistance and low passive permeability, providing a controlled interface between the circulation and the brain. The multi-cell type dynamic BBB-on-chip models are in demand in several fields as alternatives to expensive animal studies or static culture inserts methods. Their combination with integrated biosensors provides real-time and noninvasive monitoring of the integrity of the BBB and of the presence and concentration of agents contributing to the physiological and metabolic functions and pathologies. In this review, we describe built-in sensors to characterize BBB models via quasi-direct current and electrical impedance measurements, as well as the different types of biosensors for the detection of metabolites, drugs, or toxic agents. We also give an outlook on the future of the field, with potential combinations of existing methods and possible improvements of current techniques.

Since the outbreak of the global pandemic caused by severe acute respiratory coronavirus 2 (SARS-CoV-2), several clinical aspects of the disease have come into attention. Besides its primary route of infection through the respiratory system, SARS-CoV-2 is known to have neuroinvasive capacity, causing multiple neurological symptoms with increased neuroinflammation and blood–brain barrier (BBB) damage. The viral spike protein disseminates via circulation during infection, and when reaching the brain could possibly cross the BBB, which was demonstrated in mice. Therefore, its medical relevance is of high importance. The aim of this study was to evaluate the barrier penetration of the S1 subunit of spike protein in model systems of human organs highly exposed to the infection. For this purpose, in vitro human BBB and intestinal barrier cell–culture systems were investigated by an optical biosensing method. We found that spike protein crossed the human brain endothelial cell barrier effectively. Additionally, spike protein passage was found in a lower amount for the intestinal barrier cell layer. These observations were corroborated with parallel specific ELISAs. The findings on the BBB model could provide a further basis for studies focusing on the mechanism and consequences of spike protein penetration across the BBB to the brain.

Integrated optics (IO) is a field of photonics which focuses on manufacturing circuits similar to those in integrated electronics, but that work on an optical basis to establish means of faster data transfer and processing. Currently, the biggest task in IO is finding or manufacturing materials with the proper nonlinear optical characteristics to implement as active components in IO circuits. Using biological materials in IO has recently been proposed, the first material to be investigated for this purpose being the protein bacteriorhodopsin; however, since then, other proteins have also been considered, such as the photoactive yellow protein (PYP). In our current work, we directly demonstrate the all-optical switching capabilities of PYP films combined with an IO Mach–Zehnder interferometer (MZI) for the first time. By exploiting photoreactions in the reaction cycle of PYP, we also show how a combination of exciting light beams can introduce an extra degree of freedom to control the operation of the device. Based on our results, we discuss how the special advantages of PYP can be utilized in future IO applications.