Ftir histo-spectroscopic evaluation and chemometric discrimination of colon cancer
Kolon kanserinin ftır hısto-spectroscopıc değerlendirmesi ve kemometrik ayrıştırımı
- Tez No: 609926
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN KIZIL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyokimya, Biochemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 73
Özet
Kolorektal kanserde erken aşamada tespit, ölüm oranlarını ve morbiditeyi azaltmaya yardımcı olabileceğinden sağlık açısından kritik öneme sahiptir. Kansere bağlı yüksek ölüm oranı, kısmen klinik yöntemlerin başlangıçta kanser teşhisi için duyarlılık ve güvenilirlikten yoksun olmasından kaynaklanmaktadır. Eğer kolon kanseri başlangıç evrelerinde tespit edilirse, 5 yıl göreceli hayatta kalma oranları% 90'a kadar yükselecektir. Ancak maalesef kolon kanserinin sadece % 37'si erken aşamada teşhis edilebilmektedir. Bu nedenle, bilim adamları ve tıp doktorları kanser gibi ölümcül hastalıkların erken tespiti için hızlı, güvenilir ve ucuz şekilde gerçekleştirilebilecek yeni yöntemler veya protokoller geliştirmek için birlikte çalışmalıdırlar. Klinik testlerin aletsel bir teknikle birleştirilmesi, hastalığın erken dönemlerinde bile faydalı olan yeni kanser tanı yöntemleri geliştirilmesine yardımcı olabilir. Bunun yanında, kötü huylu ve sağlıklı dokuları daha sık görülen iyi huylu enflamatuar durumlardan ayırt etmek deneyimli uygulayıcılar için bile çok zorlayıcı olabilmektedir. Kanserin hızlı, ucuz ve doğru teşhisi için reaktif madde kullanımı gerektirmeyen bir prosedür geliştirilmesi, erken büyüme aşamasında olan tümörlerin hızlı ve güvenilir tespitinde büyük bir potansiyele sahip olacaktır. Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), biyolojik dokulardaki kimyasal profil değişiklikleri hakkında moleküler seviyede detaylı bilgi sağlama kabiliyeti nedeniyle kimyasal analizlerde için güçlü bir aletsel araç olarak bilinir. Normal ve malin dokular arasındaki mid-IR bölgesindeki absorbans bantlarındaki farklar, kolon kanseri gibi çeşitli kanser türlerinin saptanması ve karakterizasyonu için potansiyel bir işaretleyici markör olarak kullanılabilirler. Bu spectral markörler bir ileri multivariate istatistiki yöntem kullanılarak işlenirse spesifik bir histopatolojik tipin ayrışımı gerçekleştirilebilir. Malign ve normal hücrelerde biyokimyasal değişiklikler genellikle“DNA bölgesi”olarak bilinen 1238 cm-1'de ve“protein bölgesi”olarak bilinen 1650 cm-1'de rastlanan amid I ve 1550 cm-1'de gözlenen amid II bölgelerinde titreşim frekansı şiddetinde veya enerjisinde değişimi olarak tespit edilir. Bu nitel bilgiler istatistiki matematik teknikleri ile incelenerek istatistiksel olarak anlamlı sonuçlar çıkartılabilir ve dokunun histolojik durumu ile spektral değişimler ilişkilendirilebilir. Kemometri ileri istatistiki matematik tekniği olup hem bir spektradan en değerli kimyasal bilginin çıkarılmasında kullanılır hem de kaydedilen değişimlerin farklılığına göre spektraların birbirinden ayırt edilmesini gerçekleştirebilir. Kemometri veya başka bir deyişle çok değişkenli analiz, araştırılan numunenin kimyasal doğası göz önünde bulundurularak spektral verilerin hem nicel hem de nitel analizinde kullanılabilir. Kısmen en küçük kareler (PLS) tipi regresyon modelleri, bir numunedeki kirletici miktarını veya bozulma derecesini tahmin etmek için uygulabilirler. PLS ile işleme tabi tutularak indirgenmiş kimyasal verilerin, kullanıcı tarafından önceden tanımlanmış sınıflandırma bilgileri ile birleştirilmesi, bir grup örneğin belirli bir istatistiksel toleransta ayrılmasını sağlar. En yaygın kullanılan kemometrik ayırma araçları doğrusal ayırma analizi (LDA) ve kanonik değişken analizidir (CVA). Her iki teknik de, veri setindeki spektral varyasyona ve verilen tolerans seviyesine göre örnekleri önceden tanımlanmış gruplara ayırmak için kullanılabilir. Tekniğin başarısı, elde edilen spektrumların kalitesine (kimyasal bilgi) ve modelde matematiksel sınır aşımı (overshooting) önlemek için uygun sayıda PLS skorunun seçilmesine bağlıdır. Bu çalışmanın amacı, bir patoloji laboratuvarı ile işbirliği içinde bir dizi kemometrik araçla birlikte FTIR spektroskopisi kullanarak kolon tümörlerin normal formlarından hızlıca ayrıştırılması için yeni bir spektroskopik protokol hazırlamaktır. Bu nedenle, Acıbadem Maslak Hastanesinde kolon kanseri tanısı konan 62 hasta, İstanbul Teknik Üniversitesi biyospektroskopi laboratuvarında toplam 124 kolon doku örneği (62 normal ve 62 tümör) hazırlanıp spektroskopik olarak incelenmesi için bu retrospektif çalışmaya dahil edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan tüm doku örnekleri, formalin fiksasyonuna tabi tutuldu ve spektral analizlere geçmeden önce oda koşullarında formalin çözeltisi içinde saklandı. Aynı hastadan alınan hem normal hem de malign dokunun FTIR spektrumları, 4 cm-1 spektral çözünürlükte 8 eş-taramada 650-4000 cm-1 aralığında Perkin Elmer Spectrum 100 spektrometresi kullanılarak dikkatli şekilde kaydedildi. Kaydedilen tüm spektrumların görsel inceleme ile keşifsel bir değerlendirmesini yaparak, DNA ve protein absorpsiyon bölgelerindeki gözlemlenen değişikliklerin normal ve tümör dokusu spektrumları arasında en dikkate değer farklılıklar olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada, C-H ve C=O gerilmeleri şeklinde kaydedilen lipit absorpsiyon bantlarından kaçınıldı. Çünkü bu spektral özellikler normal dokuda daha fazla bulunmasına rağmen tümör örneklerinin çoğunda çok hafif veya hiç bulunmadığından, normal numuneleri ayırt etmede başarılı olsa da adenokarsinomlar için duyarsızdı. Bu çalışmada normal dokuları DNA, protein ve parmak izi bölgelerindeki spektral değişikliklere dayanarak tümörlerden ayırmak için geliştirilen protokolümüz farklı diskriminasyon modelleri içeren kemometrik araçlar içerir. Diskriminasyona geçmeden önce spektral veriler ayrıca kısmi en küçük kareler (PLS) yöntemi ile işlenerek veri büyüklüğü içindeki varyasyonu korur şekilde daha düşük değerlere indirgendi. PLS uygulamasında elde edilen skorlar, en çok izin verilen 20 olacak şekilde doğrusal diskriminant analizine (LDA) ve kanonik varyant analizine (CVA) modellerine aktarılarak kolon örneklerini normal ve tümör gruplarına göre ayrıştırılmaya çalışıldı. Hem CVA hem de LDA denetimli ayrımcılık modelleri olduğundan, gruplama bilgileri tarafımızdan her bir numunenin histopatolojik değerlendirme sonuçları kullanılarak sağlanmıştır. PLS skorlarının sayısı, kullanılan kemometrik modellerin matris işleminde aşırılıktan kaçınmak için örnek sayısının altıda birinden az tutuldu Bu tezde, FTIR spektroskopisi, PLS-LDA ve PLS-CVA ayırma modelleri kullanılarak kolon tümörlerinin spektral bilgilere göre hızlı sınıflandırılması başarıldı. Basit Öklid mesafesine dayalı LDA'nın kullanılması, tüm örneklerin kabaca% 73 veya% 78 oranlarda başarılı bir şekilde sınıflandırılmasına neden oldu, ancak Mahalanobis mesafesi bazlı LDA ayrımcı modeli kullanarak parmak izi spektral bilgisi verileriyle bu ayrıştırma başarıcı kolayca% 99'a yükseltildi. Grup içi ve gruplar arası gözlemler arasındaki uzaklıkların hesabında Mahalanobis mesafesi kovaryans matrislerini içerdiğinden, Mahalanobis mesafesine dayalı ayrımcılık her zaman Öklid mesafesine dayalı ayrımcılıktan üstün bulunmuştur. CVA sonuçları ayrıca numunelerin normal ve tümör gruplarına göre% 96 oranında başarılı bir şekilde farklılaşmasını sağlamıştır. Bu tezde elde edilen yüksek ayrıştırma başarı oranları, FTIR-LDA FTIR-LDA protokollerinin kolon dokuların patolojik durumuna göre normal veya malign olarak hızlı ve ucuz yoldan tanımlanmasında kullanılmasına işaret etmektedir.
Özet (Çeviri)
Detection of colorectal cancer at an early stage is of critical importance since it may help reduce death rates and morbidity. The high death rate due to cancer was partly attribute to the fact that clinical methods lack sensitivity and reliability for detection cancer at the beginning stages (S. Li et al. 2014; Tatarkovič et al., 2015). If colon cancer is detected at a beginning stage, the (5-year) relative survival rates will improve up to 90%. However, unfortunately only 37% of colon cancers are diagnosed at the early stage. Therefore, scientists and physicians has to work together to develop new fast, inexpensive and reliable methods or protocols for early detection of cancer. Combining clinical tests with an instrumental technique may help develop novel cancer diagnosis methods even useful at the early stages of the disease. In addition, distinguishing of malign and healthy tissues from the more common benign inflammatory states may be very difficult even for experienced practitioners. Development of a reagent free procedure for the fast, inexpensive and accurate diagnosis of cancer will have a great potential in detection of tumor at its early growth phase. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy has been known as a powerful tool for chemical analysis because of its ability to provide detailed information on the chemical profile changes in biological tissues at the molecular level (Walsh et al., 2008). The differences in the absorbance bands in the mid-IR spectral region between normal and malignant tissues appear to be a potential marker for detection and characterization of various kinds of cancers such as colon (Argov et al., 2002). These spectral markers can be used to differentiate a specific histopathological type when combined with an advanced multivariate statistical method. The biochemical changes in malignant and normal cells are generally detected at the“DNA region”1238 cm-1 and the“protein region”1650 cm-1 as the amide I and 1550 cm-1 as the amide II by measuring the change in frequency of vibration of the molecules. Such qualitative information may be treated with mathematical and statistical techniques to arrive at a statistically significant conclusion and correlation of the changes with the histological state of a tissue. Chemometrics is referred to as use of mathematical and statistical techniques together to extract most valuable information or to discriminate spectra from each other based on the degree of changes recorded in the spectra. Chemometrics or multivariate analysis in other words, can be used in both quantitative and qualitative analysis of spectral data considering the chemical nature of the sample under investigation. Partial least squares (PLS) type regression models can be developed to predict the amount of contaminant or the extent of degradation in a sample. Combining PLS-treated reduced chemical data with a discriminant analysis with predefined classification information enables separation of a group of samples at a set statistical tolerance. The most widely used chemometric discrimination tools are linear discriminant analysis (LDA) and canonical variate analysis (CVA). Both techniques can be used to separate samples into predefined groups based on the spectral variation in the data set and the given tolerance level. The success of the technique depends on the quality of the acquired spectra (chemical information) and selection of suitable number of PLS scores in the model avoiding mathematical overshooting. The purpose of this study to devise a new protocol in collaboration with a pathology laboratory for rapid differentiation of colonic tumors from their normal forms using FTIR spectroscopy along with a series of chemometric tools. For this reason, 62 patients diagnosed with colon cancer (adenocarcinoma) at the Acıbadem Maslak Hospital was involved in this retrospective study so that in total 124 colon tissue samples (62 normal and 62 tumor) could be prepared and spectroscopically interrogated at Istanbul Technical University biospectroscopy laboratory. All tissue samples were obtained as formalin fixed and stored at ambient condition in formalin solution before the spectral analysis. FTIR spectra of both normal and malignant tissue from the same patient was collected using Perkin Elmer Spectrum 100 spectrometer in the range of 650-4000 cm-1 at 8 co-scan at the spectral resolution of 4 cm-1. Making an exploratory evaluation of all recorded spectra by visual inspection, changes in the DNA and protein absorption regions were found to be the most remarkable differences between the normal and tumor tissue spectra. Lipid absorption bands in the form of the C-H and C=O stretches were avoided in this study, since these spectral features were more abounded in the normal tissue but were very weak or absent for the majority of tumor samples. Lipid peaks were found distinctive in distinguishing normal samples but were insensitive to adenocarcinoma. Our protocol includes chemometric tools to develop discrimination models to differentiate normal tissues from the tumors based on the variations in DNA, protein and fingerprint regions of the spectral data. Spectral data was further treated with PLS to decrease its size to a much manageable from, while keeping the most variation in the data set. Finally, PLS scores up to 20 were transferred to LDA and CVA to discriminate colon samples into normal and tumor groups. Since both CVA and LDA are supervised discrimination models, grouping information was provided by us using the histopathological evaluation results of each sample. The number of PLS scores were kept less than the one sixth of the number of samples in order to avoid overshooting in the matrix operation of the used chemometric models. In this thesis, rapid classification of colon tumors based on their spectral response comparing to normal tissues was succeeded by using FTIR spectroscopy and PLS-LDA and PLS-CVA discrimination models. Using the simple Euclidean distance based LDA resulted roughly in 73 or 78% successful classification of all combined samples, but this was easily improved to 99% using the fingerprint spectral information with the Mahalanobis distance based LDA discrimination. Mahalanobis distance based discrimination was always found superior to the Euclidian distance based discrimination, since distances between the inter and intra groups observations involve the covariance matrices in the Mahalanobis distance. CVA results has also produced up to 96% successful differentiation of combined samples according to their normal and tumor groups. These high discrimination success rates found in this study suggest the implementation of FTIR-LDA protocols in rapid and inexpensive identification of colonic tissues in terms of their pathological state as normal or malignant.
Benzer Tezler
- Osseoentegrasyon ve antibakteriyel özellikleri artırılmış titanyum implantların üretilmesi
Production of titanium implants with improved osseointegration properties
HAMİT TURGUT DURMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİnönü ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURGAY SEÇKİN
DR. FADİME NÜLÜFER KIVILCIM
- Polisakkarit bazlı taşıyıcılardan neovaskülerizasyon ajanlarının kontrollü salımının in-vitro ve in-vivo koşullarda incelenmesi
Controlled release of neovascularization agents incorporated with polysaccharide based carriers in-vitro and in-vivo
ALPER KEMAL DOĞAN
- Elektroeğirme yöntemiyle yumuşak doku mühendisliğinde kullanıma uygun yönlenmiş yarısentetik polimer taşıyıcı üretimi ve karakterizasyonu
Electrospinning and characterization of oriented semi-synthetic scaffolds for soft tissue engineering applications
CANSU DUMLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HALİME KENAR
- Jelatin ve histon kullanılarak doku mühendisliği uygulamaları için yüksek biyouyumlu biyomalzeme sentezi ve karakterizasyonu
Highly biocompatible biomaterials synthesis and characterization for tissue engineering applications by using gelatin and histone
SABİHA DEMİRCİ CENGİZ
- Alzheimer hastalığının tedavisine yönelik nanografen bazlı ilaç dağıtım sistemleri
Nanographene-based drug delivery systems for the treatment of Alzheimer's disease
HANDE GÖKDURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyokimyaDokuz Eylül ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAZİYE ÖZTÜRK ÜREK