Detection of imatinib and doxorubicin resistance in K562 leukemia cells by 3D-electrode contactless dielectrophoresis
Imatinib ve doxorubicin direnci geliştirmiş K562 lösemi hücrelerinin 3 boyutlu elektrot kullanılarak temassız dielektroforez ile tespiti
- Tez No: 338484
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Biology, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Dielektroforez (DEF) MEMS teknolojisi sayesinde uygulanabilir olan ve homojen olmayan elektrik alanın varlığında, sıvı içerisinde bulunan bir parçağın sıvıya göre hareketi şeklinde tanımlanan bir tekniktir. Dielektroforez biyolojik parçacıkların dielektrik özelliklerine veya boyutlarına göre manipule edilmesini sağlayabildiği için biyomedikal uygulamalarda kullanılmaktadır. Örneğin, kanser hücreleri yapı ve büyüklükleri itibariyle normal doku hücrelerinden farklı olduklarından DEF sistemleri kanserin erken teshisinde etkin bir çözüm yolu olma potansiyeline sahiptir. DEF yöntemi kanser hücrelerinin normal hücrelerden ayrıştırılmasında kullanılabileceği gibi, boyutları birbirine çok yakın olan çoklu ilaç direnci (ÇİD) geliştirmiş kanser hücrelerinin ayrıştırılmasında da kullanılabilir. ÇİD bir tümörün bir ilaca karşı direnç geliştirmesinin ardından, o ilaçla aynı yapısal ve fonksiyonel özelliklere sahip olmayan başka ilaçlara karşı da çapraz direnç geliştirmesi olarak tanımlanır. Bu tip vakalarda hastalar kemoterapiye cevap vermemektedir. Bu sebeple kanser hücrelerinin içinde ÇİD geliştirenlerin tespit edilebilmesi kullanılacak tedavi yöntemini belirlemek ve tedavi sürecini hızlandırmak açısından önemlidir. Bu tez, imatinib ve doxorubicin direnci geliştirmiş K562 lösemi hücrelerinin 3 boyutlu elektrot kullanılarak temassız dielektroforez (DEF) ile tespitini anlatmaktadır.Tezin temel amacı ilaç direnci geliştirmiş lösemi hücrelerinin sürekli sıvı akışı olan kanallar içerisinde hücre boyaması (hücre işaretleme) yapılmadan tamamen dielektrik özellik farklarına dayanarak tespit edilmesidir. DEF ile sadece dielektrik özellik farkına dayalı biyolojik hücre manipulasyonunun yapılabileceğinin kanıtlanması için, 1. Jenerasyon DEF çiplerinin dizaynı sonlu element modellemeleri ile yapılan simülasyonlarla iterasyonlar sayesinde yapılmıştır. Bu dizaynda hem kanal genişliği hem uzunluğu boyunca homojen olmayan elektrik alan sağlamak için 3 boyutlu, kanal içerisine karşılıklı duvarlara yerleştirilmiş kısa ve uzun elektrotlar kullanılmıştır. Bu dizayn için üretim akışı geliştirilerek bu çiplerin üretimi yapılmıştır. Yaklaşık 0.3 µm inceliğinde olacak şekilde bir parilen tabakası elektrotlar üzerine kaplanarak ?Joule heating? ve hücrelerin zarar görmesi engellenmiştir. Bu çiplerin test edilmesi için canlı ve ölü maya hücreleri kullanılacağından bu hücrelerin dielektriksel modellemesi (triple shell cell modeling) MATLAB kullanılarak gerçeklenmiştir. Test sonuçlarına göre canlı maya hücreleri elektrotlar üzerine % 96.8 saflık oranı ile tutundurulurken ölü maya hücreleri kapiler akış ile kanal çıkışına doğru yönlenmiştir çünkü bu testler ölü maya hücrelerinin sıfır DEF kuvveti (fcross) gördüğü 1.45 MHz?te gerçeklenmiştir. 1. Jenerasyon çiplerindeki üretimsel ve deneysel sorunlar göz önünde bulundurularak 2. Jenerasyon çipleri dizayn edilmiştir. 2. Jenerasyon çiplerinde hücreleri pasif olarak DEF alanlarına yönlendirmek amacıyla kanal içerisinde 5 adet V şekilli parylene engel kullanılmış ve bu şekilde 1. Jenerasyonda kullanılan basınç kontrollü olarak hücreleri DEF alanına yönlendirebilen aktif basınç tahrik cihazlarının kullanımı saf dışı bırakılmıştır. Ayrıca kanal boyunca 3 boyutlu elektrot dizileri kullanılarak hem kanal derinliği boyunca homojen bir DEF kuvveti sağlanmış hem de DEF çiplerinin verimliliği arttırılmıştır. 1. Jenerasyon çiplerinde olduğu gibi yaklaşık 0.3 µm inceliğinde olacak şekilde bir parilen tabakası elektrotlar üzerine kaplanmıştır. Parilen kaplamasının inceliği sebebi ile bu çiplerde DEF operasyonu için gerekli minimum voltaj (5 Vpp) literatürdeki diğer temassız DEF çipi örneklerinden önemli ölçüde düşüktür. Bu çiplerin test edilmesi için kullanılacak imatinib ve doxorubicin dirençli ve dirençsiz K562 lösemi hücrelerinin dielektriksel modellemeleri (double shell cell modeling) MATLAB kullanılarak gerçeklenmiştir. İlaç dirençliliği olmayan K562 hücrelerinin sıfır DEF kuvveti görerek sürekli akış ile kanal çıkışına yönlendiği 48.64 MHz frekansta, imatinib ve doxorubin dirençli K562 hücreleri elektrotlar üzerinde tutunmuştur (diğer deney koşulları bu iki test için de sabit tutulmuştur ). Bu sonuç dirençli ve dirençsiz K562 hücrelerinin bu dizayn ile ayrıştırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca, 2. Jenerasyon DEF çiplerinin performans analizleri de dizaynda kullanılan anahtar parametrelerin (akış hızı, voltaj büyüklüğü, hücre konsantrasyonu) değiştirilmesi ile gerçeklenmiştir. Bu analizlere göre 2. Jenerasyon çipleri minimum 5 Vpp voltajda 20 µl/dk akış hızı ile 625000 hücre/ml konsantrasyonlu, dirençli K562 hücrelerini elektrot üzerinde hapsedebilme yeteneğine sahiptir. Son olarak ilaç dirençliliği derecesinin K562 hücrelerinin DEF kuvvetine verdiği tepkiye olan etkisi incelenmiştir. İlk sonuçlara göre farklı derecede ilaç dirençliliği gösteren K562 hücrelerinin DEF karakteristiği de farklı olmuştur. Tüm tez boyunca yapılan çalışmalar teorik beklentilerle ve numerik simülasyonlarla tutarlı olarak gerçeklenmiştir. Sonuç olarak bu tezde sadece dielektrik özellik fark kullanılarak DEF konseptinin gerçeklenebildiği gösterilmiştir. Üretim ve test sonuçlarının kalitesinin arttırılması adına 2 farklı DEF çipi dizayn edilmiştir. İmatinib ve doxorubicin dirençliliği geliştrilmiş K562 hücrelerinin teşhisi farklı performans parametreleri (akış hızı, voltaj büyüklüğü, hücre konsantrasyonu) ile gerçeklenmiştir. Literatürde ilk olarak, ilaç dirençlilği derecesi farklı olan K562 hücreleri elektriksel karakteristikleri açısından incelenmiştir. Dizaynın geliştirilmesi ile gerçek bir hastanın kanı kullanılarak ÇİD teşhisinin başarılabilmesi en üst düzey amaç olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Dielectrophoresis (DEP) is a MEMS-enabled technique defined as the relative movement of particles and medium under nonuniform electric field. DEP can be utilized for biomedical applications manipulating biological particles based on their dielectric properties and sizes. For example, cancer cells are different than normal tissue cells in terms of both their sizes and dielectric properties, leading to the potential use of DEP in early cancer detection. DEP can provide even the separation of cells with similar size, based only on the differences dielectric properties such as, multidrug resistant (MDR) cancer cells. MDR is a condition enabling a cancer cell to resist distinct drugs or chemicals of a wide variety of structure or function targeted at eradicating the cell. In this case, patients do not respond the chemotherapy. Therefore, MDR detection in early stages is crucial to choose the most proper treatment and to accelerate the recovery period. This thesis presents the detection of imatinib and doxorubicin resistance in K562 leukemia cells by 3D-electrode contactless dielectrophoresis (DEP). The main objective of the thesis is to detect MDR in cancer cells based on their dielectric properties with continuous flow DEP in label free manner. For the proof of cell manipulation by DEP based only on dielectric properties, the 1st generation devices? design was achieved with the iterations in finite element (FEM) simulations in COMSOL. In this design, 3D-electrodes were used in the form of reciprocal short and long electrodes to provide nonuniform electric field in channel length and width. Fabrication flow for this design was developed and fabrication of these devices was performed. Very thin (~0.3 µm) parylene layer was coated on electrodes to prevent Joule heating and cell damaging. Testing of the 1st generation devices was carried out with the viable and nonviable yeast cells. Therefore, triple shell cell modeling of them was carried out through MATLAB before testing. It was reported that viable yeast cells were trapped with a purity of 96.8 % at the crossover frequency of nonviable yeast cells (1.45 MHz), at which nonviable yeast cells carried away with the capillary flow inside microchannel. Considering the problems associated with the fabrication and experimental setup of the 1st generation devices, a 2nd generation DEP device was designed for the detection of MDR in K562 cells. In the 2nd generation design, 5 V-shaped parylene obstacles were utilized to direct the cells into DEP area hydrodynamically eliminating the usage of the external pressure actuation devices, utilized in the 1st generation. Moreover, 3D separated electrodes, which provide uniform DEP force through the channel depth, were utilized in side walls along the channel length to increase the efficiency of DEP device. A thin parylene coating (~0.3 µm) on the electrodes provided the insulation of electrodes as in the 1st generation devices. Due to very thin parylene coating, the necessary voltage (minimum 5 Vpp) for DEP operation is considerably lower than the voltage of other contactless DEP devices reported in the literature. Before testing of this device, dielectric modeling of imatinib and doxorubicin resistant, and sensitive K562 cells were achieved by double shell cell modeling through MATLAB. While the trapping of doxorubicin and imatinib resistant K562 cells was observed at the crossover frequency (48.64 MHz) of sensitive K562 cells, sensitive K562 cells were not trapped under the same experimental conditions. This result shows that the separation of imatinib and doxorubicin resistant K562 cells can be achieved with this design. Moreover, performance tests of the 2nd generation devices are made with changing the key parameters of design: the flow rate, voltage magnitude and cell concentration. Device has a trapping ability at minimum 5 Vpp voltage and 20 µl/ min flow rate when cell concentration is 625000 cells/ml. Finally, the effect of drug (doxorubicin) resistance level on the DEP response of K562 cells was examined. The trapping characteristics of cells which have different degree of drug resistance were differentiable according to the preliminary test results. It is worthy to note that all test results are consistent with theoretical expectations and numerical solutions in finite element simulations. In conclusion, the proof of DEP concept based only on dielectric properties was achieved. Two different DEP device design were utilized to improve the quality of fabrication and test results. The detection of imatinib and doxorubicin resistance in K562 cells were achieved with different performance parameters, including voltage magnitude, flow rate and cell concentration. The degree of drug resistance in cancer cells was examined for the first time in the literature in electrical manner. With the further improvements in design, the detection of MDR in real patient blood is the ultimate goal.
Benzer Tezler
- A lab-on-a-chip system integrating dielectrophoretic detection and impedance counting units for chemotherapy guidance in leukemia
Kemoterapinin yönlendirilmesini sağlayacak dielektroforetik teşhis ve empedans sayma birimlerinin entegre edildiği çip-üstü-laboratuvar sistemi
YAĞMUR DEMİRCAN YALÇIN
Doktora
İngilizce
2018
BiyolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Kitosan/ZnFe2O4 nanokompozit malzemesi hazırlanması, karakterizasyonu ve kanser ilacı yüklenen malzemeden ilaç salımının incelenmesi
Preparation, characterization and examination of drug release from cancer drug loaded nanocomposite chitosan/ZnFe2O4 material
MERVE ECE TEMELKURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
ÖĞR. GÖR. ZEYNEP KALAYCIOĞLU
- Philadelphia pozitif kronik miyelositer lösemili olgularda ASS gen bölgesi yeniden düzenlenmelerinin araştırılması
Investigating rearrengements of ASS (9q34) gene region in philadelphia positive chronic myeloid leukemia patients
TUBA MUTLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
GenetikEskişehir Osmangazi ÜniversitesiTıbbi Genetik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BEYHAN DURAK ARAS
- Biyolojik sıvılarda imatinib ve metabolitlerinin analizi
Measurement of imatinib and metabolites in biological fluids
DUYGU ERYAVUZ
- Bcr/abl füzyon proteininin k562 hücre serisinde in vitro olarak immunolojik metodla akım sitometride tayini ve sonuçların rt-pcr ile karşılaştırılması
In vitro detection of bcr/abl fusion protein immunologically with flow cytometry in k562 cell line and comparison of results with rt-pcr
BİLAL AYGÜN
Tıpta Yan Dal Uzmanlık
İngilizce
2013
HematolojiBaşkent Üniversitesiİç Hastalıkları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÖZDOĞU