Geri Dön

Assessment of changes in the dielectric properties of multidrug resistant cancer cells by electrorotation technique

Çoklu ilaç dirençliliği geliştirmiş kanser hücrelerinin dielektrik özelliklerinin elektrorotasyon tekniği ile belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 384961
  2. Yazar: GARSHA BAHRIEH
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 268

Özet

Son yıllarda, mikrofabrikasyon teknolojilerindeki ilerlemelerle birlikte, biyolojik parçacıkların dielektrik özelliklerinin belirlenmesinde kullanılabilecek farklı teknikler geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları, elektrorotasyon (ER), dielektroforez (DEP), mikroelektrik impedans spektrofotometrisi ve impedans akış sitometrisi olarak sıralanabilir. Bu teknikler arasında, elektrorotasyon, hücre zarı ve sitoplazmik dielektrik özelliklerin tekil hücre bazında, yüksek hassasiyette belirlenmesinde etkin bir yöntem olarak kullanılmaktadır. Kanser hücreleri kanser tedavisi sırasında biyofiziksel özelliklerini değiştirerek kemoterapatik ilaçlara karşı direnç kazanmaktadır. Bu sebeple, ilaca dirençli hücrelerin fiziksel ve elektriksel özelliklerindeki değişimlerin incelenmesi, dirençli hücreyi dirençsiz olandan ayırmak adına oldukça önem kazanmıştır. Bu çalışmada, 3-boyutlu elektrot yapısına sahip ER çiplerinin tasarım, üretim ve biyolojik hücrelerin dielektrik özelliklerinin belirlenmesinde kullanımı araştırılmıştır. Bunun yanı sıra, elde edilen dielektrik özellikler, hücrelerin DEP tekniği ile ayrıştırılmasında kullanılmıştır. ER tekniğinin dielektrik karakterizasyonda kullanılabilirliğini kanıtlamak için birinci nesil ER çipleri, Si taban üzerine işlenen 2-boyutlu düzlemsel piramit elektrotlardan oluşmuştur. Analizler ilk olarak maya hücrelerinde ve imatinib dirençli insan lösemi hücrelerinde (K562-IMA) gerçekleştirilmiştir. 3-boyutlu FEM analizleri ve deneysel sonuçlar, 2 boyutlu elektrot yapılarının çeşitli ölçüm hatalarına yol açtığını göstermiştir. 2 boyutlu elektrot yapılarında, elektrot yüksekliği (~300 nm) hücre büyüklüğüne ( ~1-25 m) göre çok daha az olduğundan, dikey eksende (z-ekseni) rotasyon kuvveti (ROT-T) ciddi ölçüde değişmektedir. Bunun yanı sıra, 2 boyutlu elektrotlarda akım yoğunluğunun fazla olması nedeniyle ciddi bir termal ısınma gözlenmiştir. Termal ısınmanın fazla olması çözelti sıcaklığını arttırmakta, dolayısıyla, çözelti iletkenliği ölçüm sürecince değişim göstermektedir. ER tekniği, çözelti iletkenliği ile doğrudan ilişkili olduğundan, termal ısınma ER sonuçlarını ciddi ölçüde etkilemektedir. Diğer yandan, 3 boyutlu elektrotlar ROT-T'nin z-ekseni boyunca sabit kalmasını sağlayıp, elektrik alan saçaklanmalarını engelleyebilmekte ve elektrik alanın tüm hücre çapı üzerinde homojen etki etmesini sağlamaktadır. Ayrıca, elektrot hacminin artması nedeniyle, 3 boyutlu elektrotlarda birim alandaki akım yoğunluğu azalmakta ve termal ısınmanın büyük oranda önüne geçilmektedir. Böylece, çözelti iletkenliği ölçüm süresi boyunca sabit kalmaktadır. İkinci nesil, 3 boyutlu piramit elektrot yapısındaki ER çipleri, 2 boyutlu elektrot yapılarındaki problemleri çözmek için tasarlanmış ve cam pul üzerinde üretilmiştir. Ancak, bu çiplerin testleri sırasında çeşitli problemlerle karşılaşılmıştır. Örneğin, cam taban kullanıldığı için hücrelerin dönüş hızını mikroskop altında gözlemlemek zorlaşmıştır. Ayrıca, rezervuar küçüklüğü, parilen hidrofobikliği gibi diğer bir takım problemler testlerde sıkıntılara yol açmıştır. Bu çiplerin üretiminin de 4 maske içermesi ve görece kompleks olması nedeniyle ER testlerinde kullanılmamıştır. Üçüncü nesil ER çipleri 2. nesil çiplerde yaşanan problemleri aşmak için tasarlanmış ve Si taban üzerine tek maske kullanılarak üretilmiştir. Ayrıca, elektrot yapısının ER sonuçlarına etkisini incelemek üzere 6 farklı elektrot geometrisi tasarlanmış ve üretilmiştir. Farklı elektrot geometrilerinin ER karakterizasyonu, nümerik ve deneysel olarak araştırılıp karşılaştırılmıştır. 3 boyutlu döngüsel kuvvetin ve elektrik alan dağılımının nümerik karakterizasyonu FEM (COMSOL) analizleri ile ve deneysel olarak incelenmiştir. Sonuç olarak, polinomik elektrot yapısına sahip 3 boyutlu ER çiplerinin döngüsel kuvvetin homojenliği ve sürekliliği açısından en iyi sonucu verdiği gözlenmiştir. Polinomik dörtlü elektrot yapısı kullanılarak 9 farklı hücrenin (K562 lösemi hücresi ve dirençli tipleri (0.2, 0.3, 0.5 M imatinib) ile MCF7 meme kanseri hücresi ve dirençli tipleri (0.1, 0.3, 0.5 M doxorubicin)) dielektrik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Her bir hücrenin döngüsel elektrik alan kuvveti altındaki rotasyon hızları 4 farklı iletkenlikteki (1-8 mS/m) çözelti içinde, 1-100 kHz frekans aralığında taranmıştır. Her bir çözelti içindeki en yüksek rotasyon frekansının belirlenmesinin ardından, hücrelerin dielektrik özellikleri, geliştirilen MATLAB programı yardımıyla otomatik olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, hassas ve dirençli kanser hücrelerinin dielektrik özelliklerinin ciddi şekilde değiştiğini ve bunun hücreleri DEP tabanlı metotlarla ayrıştırmada kullanılabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada ayrıca, elde edilen sonuçların bir uygulaması olarak, dirençli hassas kanser hücrelerinin beyaz kan hücrelerinden ayrıştırılmasında kullanılmak üzere DEP çipi tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu çipte, parilen tabanlı mikroakışkan kanal duvarlarına yerleştirilen 5'i aktif ve 12'si pasif üç boyutlu elektrotlar kullanılmıştır. Çipin tasarımı ve ayrıştırma performansının nümerik incelemeleri için 3-boyutlu COMSOL benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Bunun yanı sıra, akış hızı ve voltaj değerlerinin optimizasyonu için FEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu benzetimler, tasarlanan DEP çipinin kanser hücrelerinin kan hücrelerinden %100 verimle ayrıştırılabileceğini göstermektedir. Yapılan ön deneylerde, K562-IMA hücrelerinin uygulanan n-DEP veya p-DEP kuvvetlerinden etkilenerek farklı kanallara yönlendirilebildiği gözlenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışmada sekizden fazla elektrot geometrisine sahip 3 farklı nesil ER çipi tasarlanmış ve üretilmiştir. ER çiplerinin karakterizasyonu için 3D FEM benzetimleri ve deneysel analizler gerçekleştirilmiştir. Polinomik elektrot yapılarının döngüsel kuvvetin homojenliği ve büyüklüğü açısından en iyi sonucu verdiği gözlenmiştir. Polinomik elektrot yapısındaki çipler kullanılarak, hassas ve dirençli K562 lösemi hücreleri ile hassas ve dirençli MCF7 meme kanseri hücrelerinin dielektrik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Elde edilen dielektrik özelliklerin bir uygulaması olarak, özgün bir elektrot yapısına sahip DEP ayrıştırma çipi tasarlanmış ve üretilmiştir. Elde edilen sonuçlar, hassas ve dirençli kanser hücrelerinin DEP metodu ile birbirinden ayrıştırılabileceğini, ve ER metodunun, biyolojik hücreler için, güçlü ve hassas bir dielektrik karakterizasyon tekniği olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

With recent advances in microfabrication technologies different methodologies are employed to study the dielectric properties of the biological systems. These include electrorotation (ER), dielectrophoresis, microelectrical impedance spectroscopy, and impedance flow cytometry. Among them, ER is utilized as a high accuracy approach in determining the membrane and interior dielectric properties of single cells. In addition, in cancer therapy, cancer cells are developing resistance toward the chemotherapeutic drugs and their biophysical properties are showing variations. Therefore, study of changes in the physical and electrical properties of resistant cells is important to make differentiation between drug sensitive and resistant cells. This thesis presents the design, fabrication, and implementation of ER devices with 3D electrodes for the dielectric characterization of cells. In addition, as an experimental application of the extracted dielectric properties of the cells (by ER), the DEP method is utilized. 1st generation of the ER chips with pyramidal planar (2D) electrodes was utilized for the proof of concept and study of the feasibility of dielectric characterization of cells using ER technique. First analyses were carried out using yeast cells and imatinib resistant human leukemia cells (K562-IMA). 3D FEM analyses and experimental results showed that the use of 2D (planar) structures can lead to errors in the measurement. In 2D structures, because of the negligible height of the electrodes (~300nm) compared to the biological cells (~10-25 µm), the variation of the rotational torque (ROT-T) is significant along the z-axis. In addition, due to high current density passing through the 2D electrodes, the thermal heating of the electrodes was significant. This can result in variations in the medium temperature due to the thermal resistive heating of the electrodes. Therefore, variations in the conductivity of the medium were unavoidable. It can alter the ER characterization results, because of the high sensitivity of the ER method to the conductivity of the medium. 3D electrode structures can provide a high sustainability of the ROT-T along the z-axis, by encompassing the whole cell body and eliminating the fringing electric field effect on the cells rotation. In these electrodes, due to increased volume of the electrodes, the current density passing through the electrodes drops significantly. Therefore, the thermal heating reduces by more than an order of magnitude, which guarantees consistency of the medium conductivity during the ER experiments. The second generation of the ER devices with 3D pyramidal electrodes were designed and fabricated to overcome the problems with the planar ER devices. These devices were fabricated with 3D electrodes on az glass substrate. However, there were a number of problems which were faced in the experimental analyses of these devices. Firstly, due to the glass substrate, assessment of the rotation of the cells was difficult. Moreover, small reservoir size and hydrophobicity of the parylene had made entrance of the cells into the electrode area difficult. In addition, due the complexity of the fabrication process and limited number of ER chips on each wafer, the 2nd generation of the ER chips was unsuitable for the practical uses. The third generation of the ER devices, with 3D electrodes was designed to overcome the problems in the previous generations. The fabrication process of these devices needs a single mask. In addition, to study the electrode geometry effects in the ER method, ER devices with six different electrode geometries were designed and fabricated. In order to make a comparison between the electrical characteristics of the each electrode type, experimental and numerical investigations were carried out. For this purpose, 3D rotational torque and effective electric field distributions were characterized using experimental and FEM analyses (COMSOL). The ER devices with polynomial electrodes were chosen to have the most practical compromise between the uniformity and sustainability of the generated rotational torque. Using polynomial quadrupole electrodes, 9 different cell populations, including K562 human leukemia cells and MCF7 breast cancer cells and their multidrug resistance (MDR) counterparts were characterized. For this purpose, the rotational behavior of the cells was studied in four different medium conductivities (1-8 mS/m) in the frequency range of 1-100 kHz. Subsequent to determination of peak rotation frequencies in all media, an automated MATLAB program was used to calculate the dielectric properties of the cells. It was observed that, sensitive and MDR cancer cells show significant variation in their dielectric properties, which can be used to identify and separate MDR cells from sensitive ones through DEP-based methods. In addition, to investigate the feasibility of separation of the cancerous cells and their multidrug resistance (MDR) derivation from the human leukocyte cell mixture, DEP chips were designed and fabricated. These chips have five active electrodes and total of 12 potentially floating electrodes, which had 3D structures, located in the parylene microchannel side walls. 3D COMSOL simulations were utilized in the design and studying the separation performance of the DEP chips. In addition, FEM analyses were implemented in the optimization of fluidic flow rates and applied voltages. Using 3D simulations, the separation efficiency of the designed DEP devices was calculated as 100%. The initial experimental analysis of fabricated DEP devices with K562-IMA cells showed a successful separation of the cell under both n-DEP and p-DEP forces to the intended channels. In conclusion, three generations of the ER devices with more than eight different electrode geometries were designed and fabricated. 3D FEM simulations and experimental analyses were utilized in the characterization of the ER devices. The polynomial electrodes were chosen to have the most practical compromise between the rotational torque uniformity and magnitude. Using the polynomial electrodes, different cell populations, including K562 leukemia cancer cells and its imatinib (0.2, 0.3, and 0.5 µM) and doxorubicin (0.1, 0.3, and 0.5 µM) resistant counterparts and MCF7 and its 1 µM doxorubicin resistant derivation were characterized. As an application for extracted dielectric properties of the cells, DEP chips with novel potentially floating electrode configuration was designed and fabricated. Results show that sensitive and resistant cancer cells can be separated from each other via DEP-based methods, and ER is a powerful and sensitive dielectric characterization technique for the biological cells.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    900168

    Dating and interpreting a firn core from the East Antarctic Plateau

    Doğu Antarktika Platosu'ndan alınan firn karotunun tarihlendirilmesi ve yorumlanması

    FURKAN KAAN SAĞOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Katı Yer Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ GEORG JOHANNES SCHWAMBORN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MARIA HÖRHOLD

  2. Tez No

    799210

    Clinical assessment of the microwave imaging system forbreast cancer screening and early detection

    Meme kanseri tarama ve erken tanı için mikrodalgagörüntüleme sisteminin klinik değerlendirmesi

    ALEKSANDAR JANJIC

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. MEHMET ÇAYÖREN

    Prof. Dr. İBRAHİM AKDUMAN

  3. Tez No

    75023

    Polivinil asetat kökenli termoplastik yapıştırıcıların radyasyonla çapraz bağlanarak iyileştirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    M.KUDRET ARSEVEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Mühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ NEZİHİ BİLGE

  4. Tez No

    413360

    Conception of an online condition monitoring and assessment for transformer oil and design of a human-machine interface for real time analysis

    Elektrik güç trafolarındaki kullanılan yağların gerçek zamanlı analizi için bir ölçüm siteminin geliştirilmesi ve insan-makine arayüzü tasarımı

    LAMİNE CHERİF NDOUOP MOUCHİLİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. METİN VARAN

  5. Tez No

    842052

    Microwave resonant sensor integration with impedance cytometry in microfluidic platform for probing micro-scale dielectric permittivity

    Mikro ölçekte dielektrik geçirgenliği incelemek için mikroakışkan platformda empedans sitometri ile mikrodalga rezonans sensörünün entegrasyonu

    UZAY TEFEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET SELİM HANAY

Geri Dön