Modeling of magnetic nanoparticle concentration from CT images for cancer therapy using hyperthermia
Hipertermi ile kanser tedavisi için manyetik nanoparçacıkların konsantrasyonlarının bilgisayarlı tomografi kullanılarak modellenmesi
- Tez No: 545097
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İSA YILDIRIM
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Kanser, vücudumuzda hücre düzeyinde meydana gelen kontrolsüz hücre bölünmesi olarak kısaca tarif edilebilir. Vücudumuzda bulunan yaklaşık 75 milyar hücrenin hepsi dönüşümlü olarak kendini yenilemektedir. Mesela; kan hücreleri 90 günde bir kendini yenilemektedir, deri hücrelerimiz ise 3-4 hafta içerisinde sürekli yenilenmektedir. Vücudumuzdaki bütün hücreler zamanla kendini yenilemekte ve yerine yeni hücreler geçmektedir. Bu hücreler kontrollü bir şekilde yenilenme kapasitesine sahiptirler. Sadece sinir sistemi hücreleri ve bazı kas hücreleri hariç olmak üzere tüm hücreler kendini yeniliyor. Bu yenilenmeye apoptosis denir. Genel olarak hücrelerin yenilenmesi ve eskiyen hücrelerin ölmesi olayıdır. Kanser hastalığında vücudumuzdaki hücrelerin kontrol dışı çoğalması geçekleşmektedir. Vücudumuzda hücrelerin içiresinde çekirdek yapıda bulunan DNA dediğimiz genetik şifreler saklı ve bu DNA'larda bir takım iplikçikler bulunmaktadır. Bu iplikçikler de birtakım mağduriyetler sonucunda parçalanıyor. Bu mağduriyetler ultraviyole ışınları, kimyasal gazlar, asbest, boya, sigara, alkol ve buna benzer bir çok şey bir takım yapıları bozmakta ve kontrolsüz çoğalmanın tetiğini çekmektedir. Böylelikle kanser dediğimiz kontrolsüz hücre bölünmesi gelişmektedir. Kanser, erkekler ve kadınlar arasındaki en önemli tıbbi hastalıklardan biridir ve kalp sorunlarından sonra ikinci ölümcül hastalık olarak görülmektedir. Amerikan Kanser Derneği'ne göre, 2018 yılında 1.7 milyon kanserli hastanın teşhis edilmesi ve bunlardan 609.640'ının başarısız tedavi nedeniyle hayatını kaybetmesi beklenmektedir. Diğer tiplere göre en yaygın olan kanser türlerine; prostat, akciğer, kolörektal (bağırsak ve kolon kanseri), meme kanseri örnek verilebilir. Kolörektal kanser, kalın bağırsağın parçalarını oluşturan kolondan anormal hücrelerin gelişimi ile tanımlanır. Prostat Kanseri, mesanenin altında ve rektumun önünde bulunan prostat bezini etkiler. Prostat bezinin görevi, semende bulunan sıvı kısımlarını üretmektir ve erkeklerde idrar kontrolünde kritik bir rol oynamaktadır. Kanser tedavisinde, doğru tanı araçlarını kullanarak hastalığın evresine göre uygun tedavinin seçilmesi ve tedavinin en uygun şekilde planlanması hastaların yaşamında çok önemli bir rol oynamaktadır. İki standart ve yaygın tedavi yöntemi girişimsel ve girişimsel olmayan kanser tedavisi yöntemi olarak kabul edilen Kemoterapi ve Radyoterapi'dir. Radyoterapi kanser tedavisinde, cerrahi tedaviler ve kemoterapi ile birlikte veya tek başına olarak sıklıkla uygulanmaktadır. Radyoterapide, X-ışını radyasyonu kanser hücrelerini yok etmek için kullanılır. X-ışınları hücrelerden geçerken enerji açığa çıkarabilen iyonlaştırıcı radyasyondur. Bu enerji, kanser hücrelerinde hücre ölümüne neden olan genetik değişikliklere neden olabilir; hücrelerin DNA'sı, yüksek enerjili radyasyon altında zarar görür ve böylelikle onların bölünme ve çoğalma yeteneklerini bloke eder. Bununla birlikte, bir radyoterapi seansı sırasında, sağlıklı hücreler kanserli hücrelerin yanı sıra öldürülebilir. Radyoterapinin yan etkileri uygulanan bölgeye göre değişir. Mesela; radyoterapi karın bölgesine uygulanıyorsa bu bölgede daha çok karın ağrısı, bulantı, kusma ve ishal gibi şikayetler ön plana çıkabilir. Akciğer bölgesine uygulanır ise öksürükte artışa ve nefes darlığı gibi bazı şikayetlere de neden olabilir. Deride ise özellikle soyulmalara, reaksiyonlara, kızarıklıklara neden olabilir. Dolayısıyla radyoterapi uygulandığı bölgeye göre, uygulanan radyoterapi metoduna göre farklı farklı yan etkiler yaratabilir. Bunlar arasında yanlış doz hesaplanması ve ya yanlış bölge ışınlanması gibi riskler taşımaktadır. Kemoterapide, anormal bir şekilde büyüyen hücreleri öldürme kabiliyetleri nedeniyle iyi bilinen kemoterapotik ilaçlar kullanılır. Bu ilaçlar kötü huylu hücreleri olduğu kadar sağlıklı hücreleri de öldürür ve bölünme özelliklerini sınırlandırır. Ayrıca, ilaca dirençli kanser hücreleri olarak adlandırılan bazı kanser hücrelerinde, kemoterapotik ilaçların hücrelere girmesini önleyen hücreler arası antioksidan akışa sahiptirler ve bu özellik onları kemoterapik ilaçlardan korur. Kemoterapi gibi girişimsel yöntemler ve radyoterapi gibi girişimsel olmayanlar, kanserli hücrelerin vücuttan çıkarılmasını tamamlayamadıkları için tam olarak etkili değildir. Ayrıca sağlıklı ve malign dokular arasında etkili bir şekilde ayırt edilemeyip, tümörlerin yerinin doğru olarak belirlenmesi tümörlerin kaçırılmasına veya kısmen çıkarılmasına yol açar. Vücudun çok fazla hasar görmesi nedeniyle kanserin tekrarlaması da görülebilir. Buna göre, bilim adamları ve araştırmacılar alternatif tedavilere yönelmektedir. Genel olarak tüm hastalar aynı şekilde tedavi edilir, ancak araştırmacılar bize her kanserin benzersiz olduğunu ve farklı genetik mutasyonların bir alt kümesi olarak gerçekleşebileceğini göstermektedir. Hipertermi, geleneksel tedavilere kıyasla çok küçük yan etkileri olan alternatif tedavilerden biridir. Ayrıca, az miktarda kollateral doku hasarı ile tümörlerin tamamen çıkarılmasına ve nekrozuna katkısı olan bir terapidir. Hipertermi bilinen en eski tedavilerden biridir.Vücut ısısı yükseltildiği zaman kanserli hücrelerin işlevlerinin bozulduğuna inanılıyor. Isıtma yapma için kullanılan yöntemler, yapılan cilt yanıkları kişi de ciddi hasarlar bırakma riskleri nedeniyle uzun yıllar emniyetli bir şekilde kullanılamadı. Fakat son yıllarda yapılan araştırmalar gösterdi ki; kanser hücreleri geleneksel radyoterapi ve kemoterapiye karşı kendi hasarlarını tamir etme yetenekleri geliştiriyorlar ve aldıkları hasarı ortadan kaldırabiliyorlar ve böylelikle tedaviyi etkisizleştirebiliyorlar. Özellikle 40-44 derece aralığında kanser dokusu ısıtıldığında ısı tedavisi yani hipertermi kullanılarak bu dokuların DNA işlevlerini de etkileyerek onların tamir mekanizmalarını bozuyor. Kanser kitleleri büyük veya küçük olmasına rağmen vücudun bağışıklık sistemi bunları görüp tanıyamıyor. Isı ile karşılaşan kanser hücreleri ısı şok proteini denilen bir madde salgılar, bu maddenin salgılanması da bağışıklık sistemi hücrelerini aktive eder ve kanserli hücrelere karşı reaksiyon vermesine ve onların ortadan kaldırılmasına yardımcı olur. Hipertermi lokal ileri meme kanseri, lokal ileri akciğer kanseri, rahim ağzı kanseri, rektum kanseri, çeşitli organ kanserlerinde tedavinin etkinliğini arttırmada yardımcı olabileceği çeşitli çalışmalarda gösterilmiştir. En gelişmiş ve yeni hipertermi yöntemlerinden biri ise“Manyetik Nanoparçacık”kullanılarak uygulanan kanser tedavisidir. Manyetik Nanopartiküller, çapı 100 nm'den küçük olan partiküllerdir. Bu çok katmanlı fonksiyonel MNP'ler, çekirdek ve metal kabuğu sayesinde süper paramanyetik özelliklere sahiptir. Kendine has özellikleri, onları teşhis ve tedavi önerileri için uygun kılar. Ayrıca, MNP'nin dielektrik kabukları topaklanmalarını engelleyebilir ve organik kabuklarının yüzeyleri biyouyumluluk ve inertlik gibi özelliklerle ortaya çıkar. Manyetik alan termal terapide uygulandığında manyetik MNP'lerin kullanımını belirleyen en önemli iki faktör şunlardır: a) Kanserli dokunun lokal ısınabilirliğini maksimuma çıkarmak. b) Isıtma işlemi yalnızca kanserli dokunun hacmi ile sınırlıdır. Bu iki faktör, MNP'lerin dokuda hedeflenen sıcaklığın az miktarda toplanması ile mükemmel manyetik yetenekleri sayesinde elde edilebileceğini göstermektedir. Bu tez çalışmasında, İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi'ndeki akıllı nanoparçacıklar laboratuvarında sentezlenen özel akıllı nanoparçacıklar kullanılmıştır. Bilgisayarlı tomografi, tıbbi görüntüleme sistemleri sayesinde akıllı manyetik nanoparçacıkların jel platformundaki davranışları hakkında araştırma yapabilmemiz mümkün. Ayrıca, nanopartiküllerin konsantrasyonu ile CT piksel endeks numarası arasındaki modelleme, farklı türdeki nanopartiküllerin dağılımının terapi etkinliğini nasıl etkilediği hakkında bize değerli bilgiler verir. Bu çalışmada, malzemeleri farklı olan nanoparçacıklar (demir, manganez, stronsiyum, magnezyum) artan konsantrasyonlarda agarose gel fantomu içerisinde hazırlandı. Bu numunelerin CT görüntülerini kullanarak konsantrasyonları modellendi ve Hyperthermia tedavisinin tedavi protokolü iyileştirmeye çalışıldı. Bu vesile ile, terapiden elde edilen optimum sonuçlar, nanopartiküllerin kontrollü olarak enjeksiyonu ve hedeflenen bölgeye ısı iletimi ile elde edilebilir. Manyetik nanoparçacığın manyetik bir alanın altındaki ısıtma kabiliyeti, SAR veya Özgül Soğurma oranı değeri ile ilgilidir. SAR değeri, manyetik nanopartiküllerdeki sıcaklık yükselmeleri için anahtar bir değer olarak belirtilmiştir. Uygun bir terapi için, SAR değerini doğru bir şekilde belirtmek esastır. Çünkü düşük SAR değerleri, zayıf terapi ve eksik tümör çıkmasına neden olabilecekken yüksek SAR değerleri, kaçınılması planlanan sağlıklı dokulara zarar verebilir. Bu nedenle nanoparçacıkların konsantrasyonu çok önemlidir. Ağarose jel içerisindeki tek madde nanoparçacıklar olduğundan, MNP'lerin CT görüntüsündeki yarattığı kontrast iyileştirmesi direkt olarak onların jel içerisindeki konsantrasyonuna bağlıdır. Bu ilişkiyi kurmak tedavinin etkili olmasında hayati rol taşır. Tez katkıları iki ana kategoride sıralanabilir: 1.Konsantrasyon deneyi için MNP'lerin sentezlenmesi ve görüntüleme testi için her bir çekirdekten farklı miktarlarda MNP'lerin örneklerinin hazırlanması. 2.MATLAB ortamında görüntüleri modelleyerek manyetik nano partikül konsantrasyonu ile CT görüntülerinden gelen piksel indeks sayıları arasında korelasyon yapmanın fizibilitesinin araştırılması.
Özet (Çeviri)
Cancer is one of the most critical medical diseases among men and women and placed as the second deadly disease after heart problems with regards to the reports. Several therapies are applied to cure patients of cancer. They consist of invasive therapy methods such as surgery and chemotherapy as well as non-invasive techniques such as radiotherapy. Nevertheless, these therapies do not provide a guaranteed recovery from cancer and still may be a chance of metastasis and process in the disease if the tumors were not thoroughly cleaned up from the body. Accordingly, a non-invasive method which has superiority over the conventional treatment methods is desired. One of the most advanced and modern ways of therapy to cancer which is under research by the scientists is the utensil of the magnetic nanoparticles (MNPs) by integration of one of the ancient ways of therapy, hyperthermia. It is possible for us to utilize the heat making capability of MNPs in tumor necrosis. In this thesis, tailored smart MNPs which are synthesized in the laboratory of smart MNPs in the mechanical faculty of Istanbul Technical University are used to investigate the behavior of these particles in the tissue equivalent phantoms called agarose gel. With thanks to the medical imaging systems, it is possible for us to investigate the behavior of the smart MNPs in the gel platform. Furthermore, the modeling between the concentration of MNPs and CT pixel index value (PIV) gives us valuable information about how the distribution of different kind of MNPs affects the therapy efficiency. In this thesis, the materials and methods needed to fabricate MNPs are first provided. Then, the effect of different MNPs cores on CT images contrast is investigated. Finally, the relation between the concentration of MNPs and associated PIV is modeled for the purpose of the hyperthermia treatment protocols.
Benzer Tezler
- Manyetik katı faz ekstraksiyonu metodu ile vanadyum zenginleştirmesi ve ICP-OES ile tayini
Vanadium preconcentration using magnetic solid phase extraction method and determmination by ICP-OES
NERGİZ SEVGİN
- Nanokompozit malzeme kullanarak sulu çözeltilerden Cs(I) uzaklaştırılması
Cesium removal from aqueous solution using nanocomposite material
BİLAL ÇETİN
- Hibrit biyonanokompozit malzemelerin sentezlenmesi ve sulu çözeltilerden neodimyum gideriminde kullanımının modellenmesi
Synthesizing of hybrid bionanocomposite materials and modeling of its use for neodymium removal from aqueous solutions
HAKAN ANDİÇİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyoteknolojiMunzur ÜniversitesiKimyasal Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHARREM İNCE
- Magnetik nanotanecik içeren alginata tutuklanmış mikroorganizma ile laktik asit üretimi
Lactic acid production with immobilized microorganism on alginate with magnetic nanoparticle
ASLI KAÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE BAYRAKTAR
- Yer fıstığı kabuğu/fe3o4 kompozit materyali ile sucul ortamlardan nikel giderimi
Nickel removal from aqueous solutions by peanut hull/fe3o4 composite material
ALI JAN AKBARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEZEN KÜÇÜKÇONGAR