Chemical funcionalisation of SERS substrates in designing nanosensors for detection of markers of environmental stress diseases

Choroby stresu środowiskowego związane z rozwojem cywilizacyjnym stanowią jeden z największych problemów zdrowotnych, z którymi zmaga się dzisiejsze społeczeństwo. Pośród nich wymienia się między innymi miażdżycę, przewlekłą chorobę dużych naczyń krwionośnych, na której skupia się niniejsza praca. Praca ta miała na celu zaprojektowanie nanoczujników immunoSERS do detekcji markerów zmienionych miażdżycowo naczyń krwionośnych. Obiektem detekcji były komórki mięśniówki gładkiej (SMCs) w aortach objętych procesem miażdżycowym pochodzących z mysiego modelu miażdżycy (ApoE-/-). Zsyntetyzowanych zostało kilka nanoznaczników SERS, które następnie wykorzystano w immunohistochemicznym wybarwianiu badanych tkanek z zastosowaniem różnych kombinacji nanoznacznik SERS - przeciwciało. Sprzęgnięcie sfunkcjonalizowanych nanocząstek metalu z przeciwciałami skierowanymi przeciwko aktynie mięśniówki gładkiej pozwoliło poprzez obrazowanie SERS na lokalizację komórek mięśniówki gładkiej. Opracowano nie tylko protokół preparatyki nanoznaczników, ale również określono, które z etapów wybarwiania immunohistochemicznego wpływa na fałszywą identyfikację komórek i niespecyficzne wiązanie przeciwciała do antygenu.Wśród wielu testowanych kombinacji nanocząstka SERS – funkcjonalizacja – sposób wybarwiania stwierdzono, że do dalszych badań nad opracowaniem i walidacją immunohistochemicznego obrazowania techniką SERS należy się posłużyć nanogwiazdkami złota opłaszczonymi glikolem polietylenowym (PEG) bez białka G, połączonymi z drugorzędowym przeciwciałem. Taki nanoczujnik dostarcza powtarzalnych wyników w analizie zmienionych miażdżycowo aort, co w przyszłości może zostać wykorzystane do wczesnego wykrywania zmian strukturalnych naczynia krwionośnego i przyczynić się do lepszego poznania procesów rządzących tą chorobą.

Environmental stress diseases associated with the civilizational progress are amongst the most common health problems within contemporary societies. One of them is atherosclerosis – a chronic disease of major blood vessels on which this dissertation is focused. The research was aimed at designing immunoSERS nanosensors to detect markers of pathologically altered vessels. An object of the examination were smooth muscle cells (SMCs) in aortas of mouse atherosclerosis model (ApoE-/-). Several SERS nanosensors were constructed and then used for immunohistochemical staining of atherosclerotic vessels in various combinations of SERS nanolabels and antibodies. Combining functionalized surface of the metal with antibodies aimed against smooth muscle actin allowed, through SERS imaging, for the detection of the smooth muscle cells. A protocol of the synthesis of SERS nanosensors was determined including the elimination of stages of immunohistochemical staining leading to the false detection of cells and nonspecific bonding of antibody and antigen. Amongst many combinations, SERS nanomolecule – functionalization – staining method, tested in the work, it was found that for further studies on the immunoSERS technique one should use gold nanostars coated with polyethylene glycol (PEG) without protein G and conjugated with secondary antibody. Such a nanosensor provides reproducible iSERS images of aortas affected by atherosclerosis. In the future this SERS nanolabel could be used for an early detection of the structural changes in blood vessels and contribute to better understanding of the disease.