Rare cell enrichment from blood by using dielectrophoresis
Dielektroforez yöntemi ile kandan ender hücre zenginleştirilmesi
- Tez No: 415541
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH, DR. EBRU ÖZGÜR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 176
Özet
Dielektroforez, boyutları ve/veya dielektrik özellikleri farklı parçacıkları ayrıştırmakta kullanılan temel bir tekniktir. MEMS teknolojisi sayesinde üretilebilen mikroelektrotlar, hedeflenen hücrelerin etiketleme olmaksızın yönlendirilmesi, hedeflenmeyen hücrelerden ayrıştırılması ve zenginleştirilmesi gibi biyomedikal uygulamalarda dielektroforezin uygulanmasına olanak sağlar. Özellikle, kanser gibi ölümcül hastalıkların tanısında kandan ender hücre tespiti önemli bir yere sahiptir. Dolaşım sistemine yayılan gezici kanser hücreleri, kanserin metastatik ilerlemesinde önemli bir biyo-işaret olarak görülmektedir.Bu hücrelerin erken tespiti tedavinin başarısı açısından son derece önemlidir. Bununla birlikte, milyarlarca kan hücresi arasından sadece bir kaç adet gezici kanser hücresinin tespitinin zorlukları nedeniyle, bir tanı aracı olarak kullanılamamaktadırlar. Bu tezin amacı, kandan kanser hücrelerinin zenginleştirilmesini yüksek verimlilikte, hassasiyette ve seçicilikte sağlayan bir MEMS tabanlı bir dielektroforetik cihaz yapımıdır. Bu hedefe ulaşmak için, V-şekilli mikroelektrotların kanal boyunca parallel yerleştirildiği, 1000 µm genişliğinde olan, parilen temelli bir mikrokanal geliştirilmiştir.Tez süreci boyunca, farklı mikroelektrot ve kanal yapıları içeren üç cihaz nesli geliştirilmiştir. Birinci ve ikinci nesil cihazlar, ardışık iki DEF alanı içermekte ve bu alanlardan ilki negatif DEF kuvveti sayesinde tüm hücreleri duvarlara doğru iterken, diğeri sadece kırmızı kan hücrelerinin seçilip tekrar kanalın ortasına yönlendirilerek kanser hücrelerinden ayrılmasını sağlamakta ve atık çıkışına ilerlemelerini sağlamaktadır. Bununla birlikte, bu cihazlar 1 µl/dak gibi düşük akış hızlarında çalışabilmişlerdir ve bu verimliliği düşürmüştür. Verimliliğin artırılması için elektrot ve kanal yapıları değiştirilerek, hücreler pozitif DEF kuvveti ile elektrotların üzerinde kayarak yan kanallara yönlendirilmişlerdir. Ayrıca, boyutlarının kanser hücrelerine oranla küçük olması nedeniyle alyuvarları geçiren, kanser hücrelerini ana kanalda tutan parilen filtreler oluşturulmuştur. Bu yöntemle akış hızı 30 µl/dak seviyesine kadar çıkarılmış olup, uygulanan gerilim 20 Vpp seviyelerinden 10 Vpp seviyelerine çekilmiştir. Üretilen üçüncü nesil DEF cihazları, beş milyonu alyuvar ve bir milyonu kanser hücresi (ayrı ayrı K562 ve MCF7 hücre hatları) olmak üzere, toplam altı milyon hücre/ml konsantrasyonu ile çalışabilme kapasitesine sahiptir. Ender hücreler için hücre zenginleştirme faktörü 1.3 olarak hesaplanmış olup, bu değer çıkıştan elde edilen ender hücre yüzdesinin girişe göre 1.3 kat artırıldığı anlamına gelmektedir. Zenginleştirme yüzdesinin iyileştirilmesi ve daha yüksek hücre konsantrasyonlarına ulaşılması, bu çalışmaya asıl hedef olan gerçek kanser hastalarının tam kanından ender hücre zenginleştirme konusunda öncülük edebilir.
Özet (Çeviri)
Dielectrophoresis (DEP) is a technique used for separating particles with different sizes and/or dielectric properties. Fabrication of microelectrodes, thanks to MEMS technology, allows DEP to be applied in biomedical applications such as manipulation, separation, and enrichment of targeted cells from untargeted ones without any labeling. Especially, rare cell detection from blood occupies an important place in diagnostics of fatal diseases such as cancer. Circulating tumor cells (CTCs) that are shed into circulatory system has been considered as an important biomarker for the metastatic progression in cancer. Early detection of CTCs has the uttermost importance for the success of the therapy. However, it cannot be used as a diagnostic tool due to difficulties in detecting only a few CTCs in milieu of billions of blood cells. The objective of this thesis is to develop a MEMS-based dielectrophoretic device for the enrichment of cancer cells from blood with a high throughput, sensitivity, and selectivity. To achieve this goal, a wide (1000 µm), parylene-based microchannel with V-shaped planar microelectrodes arranged in parallel throughout the channel has been developed. Throughout the thesis, three generations of DEP devices with different electrode and microchannel geometries have been developed. The first and second generation devices contained two consecutive DEP areas, one for focusing of all cells towards the channel walls via negative DEP (nDEP) force, and the other for selective manipulation of red blood cells (RBCs), where their separation from cancer cells and redirection into the waste outlet take place. However, these devices could manipulate cells at low flow rates (up to 1 ul/min), which results in low throughput. To increase the throughput, electrode and channel geometries has been revised so that the cells are manipulated via positive DEP force (pDEP) and slide through the electrodes to the side channels. Also, parylene filters have been included to filter the RBCs due to their size difference, while keeping the large cancer cells inside the main channel. By this way, the flow rate could be increased up to 30 µl/min, and the working potential has been decreased from 20 V pp to 10 V pp . Fabricated 3rd generation DEP devices are capable of working with up to 6 million cells/ml cell concentrations including 5 million RBCs/ml and 1 million cancer cells/ml (K562 human leukemia cancer cell lines and MCF7 human breast adenoma cancer cell lines, separately). Cell enrichment factor for rare cells were calculated as 1.3, which means the desired rare cell percentage was increased to 1.3 fold at the output relative to the input. Further improvements in the design and operational conditions would increase enrichment ratio to the ultimate goal, which is enrichment of rare cells from whole blood of real cancer patients.
Benzer Tezler
- Enrichment of MCF7 breast cancer cells from leukocytes through continuous flow dielectrophoresis
Dielektroforez yöntemi ile sürekli akış altında MCF7 meme kanseri hücrelerinin akyuvar hücrelerinden zenginleştirilmesi
ZEYNEP ÇAĞLAYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
BiyomühendislikOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Mikrokanallarda kanalın kavislilik oranının ve parçacıkların konsantrasyonlarının pasif parçacık ayrıştırması üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of channel curvature ratio and particles' concentrations in curved microchannels for passive particle separation
DENİZ İNCE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Kömür yıkama tesisi artıklarından kömür ve nadir toprak elementlerinin kazanımı
Recovery of coal from coal washery waste slimes and rare earth elements
NAZLIM İLKYAZ DİNÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FIRAT BURAT
- Identification of genomic and transcriptomic variants in chordoma cancer stem cells
Kordoma kanser kök hücrelerinde genomik ve transkriptomik varyasyonların tespiti
NUR EKİMCİ GÜRCAN
Doktora
İngilizce
2023
BiyoteknolojiYeditepe ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER FARUK BAYRAK
- Nadir toprak element oksitlerinden ergimiş tuz elektrolizi yöntemiyle nadir toprak elementlerinin sentezi
Synthesis of rare earth elements from rare earth oxides by molten salt electrolysis
OSMAN CAN ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERVET İBRAHİM TİMUR