Lääketieteellisen Fysiikan ja Tekniikan Päivä
Palkittujen lopputöiden lyhennelmät

Soile Nymark, Teknillinen korkeakoulu
Menetelmä mallilääkeaineen vapaan pitoisuuden mittaamiseksi nisäkkään verkkokalvossa

Tavoite: Tutkimusryhmässämme selvitetään lääkeaineen vapautumista lämpötilaherkistä polymeereistä. Tässä tutkimustyössä on tärkeää pystyä määrittämään lääkeaineen vapaa pitoisuus elävässä kudoksessa. Diplomityöni tavoitteena oli kehittää menetelmä mallilääkeaineen vapaan pitoisuuden mittaamiseksi nisäkkään hermokudosmallissa (verkkokalvo) eri lämpötiloissa. Lisäksi pyrkimyksenä oli löytää helppo tapa erilaisten mono- ja polymeerien bioyhteensopivuuden alustavaan testaamiseen.
Menetelmät: Mallilääkeaineeksi valittiin 3-isobutyyli-1-metyyliksantiini (IBMX), sillä IBMX hidastaa näköaistinsolujen valovastekinetiikkaa monotonisesti pitoisuudesta riippuen. IBMX:n vaikutus perustuu valovasteiden eksitaatiomekanismin yhden entsyymin, fosfodiesteraasin, spesifiseen ja reversiibeliin inhibitioon. IBMX:n pitoisuus verkkokalvossa määritettiin sauvasolujen valovasteiden kinetiikan avulla. Valovastekinetiikassa tapahtuvia muutoksia seurattiin elektroretinogrammitekniikalla (ERG). Preparaattina käytettiin rotan (Rattus norvegicus) eristettyä verkkokalvoa. Mittausten aikana verkkokalvoa perfusoitiin näköaistinsolujen puolelta fysiologisella suolaliuoksella, johon voitiin lisätä haluttu pitoisuus IBMX:a tai IBMX:a sitonutta polymeeriä. Valovastekinetiikkaa ku-vattiin aikaparametrillä tp (time-to-peak), joka on aikaväli valostimuluksesta siihen, kun valovasteen amplitudi saavuttaa maksimiarvonsa. IBMX.n vaikutus lineaarisen alueen valovastekinetiikkaan kalibroitiin pitoisuusalueella 0-300 uM. Tämän jälkeen verkkokalvolle ohjattiin liuos, joka sisälsi IBMX:a polymeeriin imeytettynä.
Tulokset: Diplomityössä havaittiin, että rotan sauvasolujen lineaarisen alueen valovastekinetiikan ja IBMX:n pitoisuuden välillä on yhteys [IBMX]=a1+a2*tp+a3*tp^2 , missä a1, a2 ja a3 ovat lämpötilasta riippuvia tekijöitä, jotka täytyy määrittää erikseen kullekin verkkokalvolle jokaisessa käytettävässä lämpötilassa. Kalibraatiokäyrän avulla voidaan määrittää polymeerirakenteista vapautuneen IBMX:n pitoisuus rotan verkkokalvossa pitoisuusalueella 3-300 uM. Diplomityössä todettiin myös, että rotan verkkokalvoa voidaan käyttää erilaisten molekyylien bioyhteensopivuuden alustavaan testaamiseen, sillä näköaistinsolujen sähköinen toiminta on hyvin herkkä solujen ympäristön fysikaalisille ja kemiallisille tekijöille. Molekyylien mahdolliset vähäisetkin haittavaikutukset näkyvät muutoksina valovasteiden amplitudissa, herkkyydessä ja/tai kinetiikassa.
Johtopäätökset: Diplomityössä osoitettiin, kuinka nisäkkään verkkokalvoa voidaan käyttää hyvin herkkänä biosensorina. Mallilääkeaineen pitoisuus saadaan työssä kehitetyllä menetelmällä määritettyä varsin tarkasti (pitoisuusvirhe < 10 %).

Tommi Noponen, Teknillinen korkeakoulu
Diffuusi optinen kuvantaminen: taajuusalueen mittauslaitteen laajennus

Diffuusi optinen kuvantaminen (DOI) on uusi funktionaalinen lääketieteellinen kuvantamismenetelmä, jossa kudosta valaistaan lähi-infrapunavalolla ja kudoksessa kulkenutta valoa mitataan.
Lääketieteellisen tekniikan laboratorion DOI-projektissa on aikaisemmin kehitetty yksikanavainen fysiologisiin mittauksiin soveltuva taajuusalueen laite. Taajuusalueen mittauksessa käytetään intensiteettimoduloitua valoa, ja kudoksessa kulkeneesta valosta mitataan modulointiampliditudi ja vaihe. Valon etenemistä kudoksessa kuvaavan mallin ja mittaussuureiden avulla voidaan arvioida kudoksen optisia ominaisuuksia.
Tässä työssä aloitettiin laitekehitys, jolla yksikanavainen laite voidaan laajentaa kuvantamislaitteeksi. Työssä esitellään ensin kaupallinen kuituoptinen kytkin, jolla taajuusalueen laitteen yksikuituinen lähettävä optiikka laajennettiin 16-kuituiseksi. Kytkimen ohjaukseen tehtiin tietokoneohjelma.
Taajuusalueen laitteen vastaanottava optiikka laajennettiin aikalimitystekniikalla. Laitteeseen toteutettiin askelmoottorilla ohjattava ns. chopper-suljin. Suljinjärjestelmällä voidaan valita yksi neljästä mittauskuitukimpusta aktiiviseksi. Aktiivisen kimpun hyötysuhteeksi mitattiin 85-90 % ja passiivisten kimppujen vuodoksi noin -26 dB. Suljinta voidaan käyttää topografisissa kuvantamissovelluksissa.
Työn toisessa osassa toteutettiin nelikanavainen digitaalinen vaihelukittu vahvistin (digitaalinen LIA). LIA:ta käytetään signaalin amplitudin ja vaiheen mittaamiseen. Kehitetty laite perustuu digitaaliseen signaaliprosessoritekniikkaan (DSP). Työssä ohjelmoitiin LIA:n DSP-ohjelmisto ja DSP-kortin laajennukseksi suunniteltiin nelikanavainen analogia-digitaalimuunninkortti. A/D-muunninkortista mitattiin noin -86 dB:n kohinataso. LIA yhdistettiin vielä PC:hen laitteisto- sekä ohjelmistotasolla. Nelikanavaista LIA:ta verrattiin kaupalliseen yksikanavaiseen digitaaliseen LIA:han (Stanford Research, SR810). Laitteiden amplitudi- ja vaihekohinat ovat samaa suuruusluokkaa.

Marko Tirri, Tampere University of Technology
Molekyylien laskenta kaksoisfotoniviritteistä fluoresenssia käyttäen
Molecule counting with two-photon fluorescence excitation

Diplomityön päätavoitteena oli rakentaa ja testata laitteisto, joka mahdollistaa yksittäisten molekyylien tai molekyyliryppäiden havainnoinnin ja laskennan liuoksesta. Laitteiston kokoonpanoon tarvittavat tekniikka ja tietämys olivat pääosin jo olemassa työtä aloitettaessa, mutta varsinkin laitteiston kokoonpanon suunnittelu ja toteutus sekä laitteiston testaus tehtiin diplomityön kokeellisessa osassa. Yksittäisten molekyylien laskentaan perustuvat menetelmät ovat tärkeitä tutkimusvälineitä mm. lääkeainetutkimuksessa.
Työssä rakennetun laitteiston toiminta perustuu kaksoisfotonivirityksellä syntyneen fluoresenssivalon mittaamiseen. Tavoitteena oli selvittää laitteistolle, sekä erityisesti laserille, asetettavat vaatimukset toteuttaa kahden väriaineen fluoresenssikorrelaatiospektroskopia (FCS) kaksoisfotoniviritystä käyttäen. Lisäksi tavoitteena oli selvittää mahdollisuus toteuttaa laitteistolla immunomääritys, jossa fluoresoivia nanopartikkeleita käytetään leimamolekyyleinä ja bioaffiniteettireaktiossa syntyvät nanopartikkelikompleksit lasketaan.
Fluoresenssin kaksoisfotonivirittämiseen käytettiin moodilukittua Nd:glass femtosekuntilaseria, jolla pystytään tuottamaan 120 fs pituisia laserpulsseja 1060 nm aallonpituudella. Tieteellisistä julkaisuista ei löydy vastaavalla laserilla toteutettua kaksoisfotoniviritteistä kahden väriaineen FCS:aa, vaan lasereina on käytetty matalammalla aallonpituudella toimivia titaani­safiiri­lasereita.
Laitteistolla tehdyillä mittauksilla selvitettiin mahdollisuutta laskea liuoksesta biomolekyylejä ja nanopartikkeleja. Mittausjärjestelmä mahdollistaa yksittäisten fotonien havainnoinnin ja laskennan. Kun yksittäistä fotoneista muodostuvalle signaalille lasketaan autokorrelaatio, pystytään selvittämään molekyylien tai molekyyliryppäiden kokoeroja diffuusionopeuseroista. Laskemalla erivärisillä fluoroforeilla leimatuista molekyyleistä mitatuille signaaleille ristikorrelaatio voidaan seurata molekyylien sitoutumista toisiinsa.
Mittaustulosten perusteella voidaan todeta että rakennetulla laitteistolla pystytään havaitsemaan ja laskemaan fluoresoivia nanopartikkeleita. Näin ollen laitteistolla on mahdollista toteuttaa immunomääritys, jossa nanopartikkeleita käytetään leimamolekyyleinä ja bioaffiniteettireaktiossa syntyvät nanopartikkelikompleksit lasketaan.