Sağlık Uygulamaları için Kuantum Çağlayan Lazerli Yeni Kızılötesi Spektroskopi Teknolojisi: Kan Mikro-numunelerinde ve Hemodiyalizde Etiketsiz Üre Tayini

Proje Yürütücüsü Dr. Öğr. Üy. Günnur GÜLER

Fotonik, dünya genelinde en umut verici sektörel alanlardan biri olup yeni ‘fotonik tıbbi cihazlar’ (‘MedPhab’ ürünleri) sağlık uygulamalarında inovasyonu yönlendirmede önemli rol oynamaktadırlar. Günümüzde hızla gelişen yeni fotonik teknolojiler (lazerler, optikler ve elektro-optik cihazlar vb.) fotonik bileşenlerin en son uygulamalarını içermektedir. Bu kapsamda, kızılötesi (infrared, IR) bölgede ışık yayan yarı iletken lazerlerin bir alt tipi olan kuantum çağlayan lazerler (KÇL) birçok uygulama alanı için uygundurlar. KÇL-tabanlı kızılötesi spektroskopi, yeni nesil IR teknolojilerin önemli bir bileşeni olarak görülmekle beraber önümüzdeki yıllarda fizik, biyoloji, askeri, sağlık ve çeşitli endüstri alanında güçlü bir uygulama potansiyeline sahip olacağı öngörülmektedir.

Geleneksel Fourier transform kızılötesi (FT-IR) spektrometreleri, IR kaynakları düşük emisyon gücüne ve düşük parlaklığa sahip termal yayıcılar olduğundan tıbbi amaçlar için maalesef uygun değildirler. Ancak bu sorun, MedPhab ürünlerinin geliştirilmesinde yeni KÇL’lerin yeni IR lazer kaynakları olarak kullanılması sayesinde çözülebilir. Yeni KÇL’ler yüksek çıkış gücü, yüksek spektral parlaklık, geniş dalgaboyu ayarlanabilirliği, yüksek duvar prizi verimliliği (wallplug efficiency), nispeten küçük boyutta olması vb. birçok avantaja sahiptirler. 

Bu proje önerisinin genel amacı, tıbbi teşhis ve tedavide kullanılmak üzere yeni nesil uygulamalar ile birlikte kızılötesi (IR) spektroskopisi geliştirmektir. Bu proje kapsamında, ‘MedPhab’ ürünü niteliğinde bir prototip elde edilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaca ulaşmak için, orta-IR spektroskopisinin vücut sıvısı moleküllerine özgü yüksek seçiciliği ile KÇL’lerin yenilikçi potansiyeli birleştirilecektir. Bu çalışma kapsamda, KÇL orta-IR kaynağı, zayıflatılmış toplam yansıma (ATR) teknolojisine dayalı numune arayüzü, küçük numune hacimleri için mikroakışkan sistem ve fotonik dedektör gibi bileşenler kullanılarak bir optik düzenek geliştirilmesi hedeflenmektir. Başlangıçta ticari KÇL ile test edildikten sonra projemizin ilerleyen aşamalarında KUANTAY proje ekiplerimiz (APYK 1-4 projeleri) tarafından prototipi üretilen uygun özellikteki yerli ve milli KÇL optik düzeneğimize entegre edilecektir. Oluşturacağımız bu KÇL-tabanlı IR düzeneği (prototip), (1) mikro-hacimli kan numunelerinde (5-10 mikrolitre, bir damla kan) üre ölçümü ve (2) hemodiyaliz tedavisi sırasında diyalizat çıkış sıvısından üre ölçümü amacıyla kullanılacaktır. KÇL-tabanlı IR spektroskopi cihazı sayesinde kronik böbrek yetmezliği olan hastalarda bir damla kandan üre analizi mümkün olacaktır. Böylece hızlı, reaktifsiz ve uygun maliyetli bir bakım noktası (point-of-care, bed-side) analizi sağlanacaktır. Hızlı uyarı sağlama niteliği sayesinde, ev diyalizi (periton diyalizi) kararı verilmesinde ve hatta böbrek nakli sorununun takibinde etkili olacağı öngörülmektedir. Ayrıca, hemodiyaliz tedavisi sırasında diyalizat çıkış sıvısından üre düşüş takibi yapılmasıyla diyaliz seansının daha etkili bir şekilde kontrol edilmesi mümkün olacak (diyaliz akış hızının ayarlanması, kan akışının ayarlanması vb.) ve dolayısıyla kişiselleştirilmiş hemodiyaliz yönetimi sağlanacaktır. Diyaliz sırasında hastanın üre miktarındaki düşüş sürekli takip edilmesi vasıtasıyla daha kısa diyaliz süresi imkânı sağlanacaktır. Dolayısıyla, bu üre analiz sisteminin hemodiyaliz yönetiminde yeni bir dönem başlatacağı kaçınılmazdır. Proje kapsamında gerçekleştirilecek klinik validasyon sayesinde, klinik uygulamalar için gerekli olan maliyet etkinliğinin yanı sıra hastaya olan faydalar da belirlenecektir.

Proje çıktıları ve yaygın etkisi olarak, bu projenin sonucunda, üre tayini amacıyla KÇL-tabanlı ATR-IR prensibine dayalı oluşturulan optik düzenek masa üstü kompakt taşınabilir hale getirilecektir. Bu kompakt düzenek ile her iki versiyondaki ATR ünitesinin (yüksek-akış ATR hücresi ve mikrohacim-ATR hücresi) uyumlu olduğu bir prototip oluşturulacaktır. Bu portatif klinik üre analiz düzeneği, THS 6’ya (teknoloji hazırlık seviyesi) (‘prototip’e karşılık gelir) daha da optimize edilecektir. Bu prototip, tıbbi bir cihazın geliştirilmesi için temel oluşturacaktır. Proje sonucunda önemli bir çıktı olarak, klinik açıdan kabule bağlı olarak patent alınması, bir startup şirketi kurulması veya mevcut bir tıbbi cihaz firmasına lisans verilmesi planlanmaktadır. Bu proje önerisi, uluslararası ve ulusal alanda özgün ve orijinal konseptler ile yeni fikirler sunmaktadır. Aynı zamanda, yeni bir uygulama olup yüksek teknolojik yönü ve yüksek Ar-Ge niteliği bulunmaktadır. Yüksek teknolojik fotonik tıbbi cihaz üretimine yönelik inovasyon niteliği olması sayesinde Türkiye ve dünya pazarında önemli yer teşkil edeceği öngörülmektedir. 

Bu projede, akademi-sanayi işbirliği de yapılacak olup genç bilim insanları için muazzam bir eğitim ve öğretim etkisi bulunmaktadır: bu proje kapsamında, 2 yüksek lisans, 3 doktora öğrencisi ve 1 doktora sonrası araştırmacı bursiyer olarak yer alacak olup lisansüstü tezlerini/araştırmalarını bu proje kapsamında yürüteceklerdir. Bursiyerler tez çalışmaları ile ülkemiz bilimine uluslararası seviyede katkı sağlayacaklardır. KUANTAY Araştırma programı kapsamında (tüm APYK’lar) yapılacak toplantılar ve çalıştaylar sayesinde tüm proje personelinin geniş perspektifte bilgi kazanmasının yanı sıra kuantum teknolojileri ve KÇL konusunda nitelikli uzmanlar/elemanlar yetiştirilecektir. Patent başvurusu yapılacak olup buna ek olarak, etki faktörü yüksek uluslararası/ulusal makaleler yayınlanması ve kongre sözlü sunumların yapılması bu proje önerisinin diğer önemli çıktıları ve yaygın etkileri olarak planlanmaktadır. Bu projede kazanılacak teknolojik ve bilimsel birikimler/deneyimler ileriki projelere temel oluşturacaktır. 

Önerilen bu proje 48 ay sürecek olup, Proje-6 (İYTE2) proje ekibi olarak, Dr. Öğ. Üy Günnur GÜLER (İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü) proje yürütücülüğünü üstlenecektir. İzmir Tepecik Eğitim ve Araştırma Hastanesi’nden Tıp doktoru Doç. Dr. Mehmet Tanrısev (Nefroloji, Diyaliz)  ve Mersin Toros Devlet Hastanesi’nden Tıp doktoru Dr. Kutlay Naci TUTUCU (Nefroloji, Diyaliz), İYTE’den Prof.Dr. Gülnur AYGÜN (yarı iletkenler, deneysel katı hal fiziği), ve İzmir Ekonomi Üniv.’nden Doç.Dr. Senem K. METİN (yazılım geliştirme, veri analizleri, makine öğrenmesi) kendi alanlarında uzmanlaşan araştırmacılar olarak yer alacaklardır. ASELSAN HASSAS OPTİK A.Ş. Ar-Ge Merkezi (optik/mikroelektronik tasarım) ise deneyimli bir şirket olarak projeye aktif katkıda bulunacaktır. Frankfurt J.W. Goethe Üniv.’nden ve DiaMonTech Şirketi’nin (Berlin, Almanya) kurucusu ve CSO’su olan Prof. Dr. Werner MAENTELE (Mid-IR teknoloji, KÇL, Biyoanalitik tıbbi cihaz icadı, Biyofiziksel araştırmalar) hizmet alımı vasıtası ile bu projeye uluslararası danışman olarak katkı sağlayacaktır.