Optical characterization of collagen denaturation via mueller matrix polarimetry and upright microscopy
Kollajen denatürasyonunun mueller matris polarimetri sistemi ve mikroskop yoluyla optik nitelendirilmesi
- Tez No: 660564
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ, DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyofizik, Biyomühendislik, Mühendislik Bilimleri, Biophysics, Bioengineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 64
Özet
Hücre dışı matris, hücrelerin yapısal bütünlüğünü ve fonksiyonlarını belirleyen, çeşitli proteinlerden oluşan karmaşık bir alaşım olarak tanımlanmaktadır. Kolajen ise, en az bir adet üçlü sarmal yapı içeren yirmi sekizden (28) fazla farklı çeşidi olan hücre dışı matrisin ana bileşenidir. Kollajen, hücrelerde yapısal roller üstlenerek dokuların mekanik özellerine ve organizasyonlarına katkı sağlar. Hücreler arası iletişimin kurulmasından sorumlu olmakla birlikte yine hücrelerin çoğalmasını ve farklılaşmasını kontrol eder. Kolajen molekülü, üçlü sarmal tropokolajen moleküllerinden oluşur. Fibriller ise kolajen lifini oluşturan kolajen molekülleri dizilerinden oluşur. Isıl denatürasyon sürecinde molekülleri birbirine bağlayan hidrojen bağları kırılır/kopar ve bunun sonucunda da üçlü sarmal yapı açılır. Sonuç olarak kolajen, jelatin adı verilen homojen olmayan bir proteine dönüşür. Kolajen ve açılma süreleri daha önce yapılan çalışmalarda farklı teknikler kullanılarak ve farklı sıcaklıklarda incelenmiştir. Kolajen denatürasyon sürecini incelemek için genellikle Dairesel Dikroizm İzgeölçümü (Spektroskopi), Işıldama (Floresans) İzgeölçümü, Fourier Dönüşümlü Kızılaltı İzgeölçümü, Taramalı Elektron Mikroskobu, Atomik Kuvvet Mikroskobu gibi çeşitli izgeölçümü ve görüntüleme yöntemleri kullanılmaktadır. Denatürasyon hızlarının sıcaklığa göre değerlendirilmesi, laser destekli doku işlemleri sırasında, (i) sıcaklığın ayarlanması ve (ii) ısıya maruz kalma süresinin veya (iii) kolajen bazlı doku rejenerasyon ürünleri üretilirken ısıl işlem aşamalarının ayarlanması gibi çeşitli biyomedikal uygulamalar için kılavuzluk görevi görür. Bu çalışmamızda, krimp olarak tanımlanan görünür yapıya sahip katı kollajen dokuları için dik mikroskop düzeneği, asetik asit içerisinde çözündürülen kolajen çözeltileri için Mueller Matrix Polarimetri sistemi kullanıldı. Kolajen dokularını görüntülemek için (bkz. Şekil 2.2) dik bir mikroskop sistemi kuruldu. Alüminyumdan yaptığımız örnek küvetinin altına bir termo-elektrik-soğutucu (TEC) yerleştirildi ve kolajen dokunun bekletildiği PBS sıcaklığını kontrol etmek için kullanıldı. Sıcaklık, Arduino platformuna bağlı bir ünite tarafından izlendi. Termo-elektrik soğutucunun alt tarafından yayılan ısıyı eşit şekilde dağıtmak için sisteme, metal kanatçıklar ve bir fan da dahil edildi. Mueller Matrix Polarimetri (MMP) sistemi ise, uzun yıllardır bilinen ve kullanılan bir optik nitelendirme tekniğidir. Fiziksel, kimyasal ve biyolojik bilimlerde, tanı, çözümleme ve metroloji gibi çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. MMP, kanserli numunelerin ve insan bedenindeki proteinlerin tanısı gibi klinik uygulamalarda ve birçok biyolojik/biyomedikal bilimlerde kullanılmıştır. MMP ile elde edilen veriler kullanılarak bedendeki kollajen dokusunun bozulma derecesi ile çeşitli kanserlere yönelik doku farklılaşmaları üzerinden öngörüler yapılmıştır. Polarimetri sistemi yoluyla elde ettiğimiz dört optik parametre bulunmaktadır. Bunlar Doğrusal Dikroizm (LD), Dairesel Dikroizm (CD), Doğrusal Çift Kınlım (LB) ve Dairesel Çift Kınlım (CB)'dir. Bu parametreler proteinlerin yapısal nitelendirilmesinde ve özellikle ikincil yapıların belirlenmesinde önemli rol oynamaktadır. MM Polarimetre sistemi bir ışık kaynağı, bir polarizör ve çeyrek dalga plakasından (QWP) oluşan Polarizasyon Durum Üreteci (PSG), bir örnek tutucu, QWP ve bir analizörden oluşan bir Polarizasyon Durum Çözümleyicisi (PSA) ve bir fotoalgılayıcıdan oluşmaktadır. Mueller Matrix Polarimetri sisteminde birden fazla optik parametre elde edildiğinden, PCA yöntemi uygulanarak kolajen örneklerimizden alınan verileri, doğal ve denatüre, asetik ve asetik olmayan çözeltiler şeklinde başarılı bir şekilde ayrımı yapılabilmiştir. PCA, sütunları ölçüm alanı yerine karşılık gelen öz değerleri ile ana bileşenlere atıfta bulunan özvektörün projeksiyonudur. Kovaryans matrisinin bir veri matrisinin transpozu ile çarpılarak ayrıştırılması olarak tanımlanır. Başka bir deyişle, bu, verileri farklı bir anahtar faktörle tanımlayarak, verileri daha anlamlı sistemlere dönüştürmenin bir yoludur. Bu dönüşüm, ölçülen değerlerin daha doğru ve anlamlı bir biçimde sınıflandırılmasını sağlamaktadır. Kolajenin ısıya bağlı denatürasyon süreci literatürde kontrast değişimi tanımı ile ilk kez Elektro-Optik Cihazlar Laboratuvarında araştırma grubumuzca izlendi. Dik bir mikroskop yoluyla kollajen sarmal yapısında bulunan kıvrımlar incelendi. Benzer biçimde, literatürde yine ilk kez, kollajen denatürasyon süreci çift geciktirici plakalı Mueller Matris Polarimetri sistemi ile araştırma grubumuzca incelendi. Deneysel sonuçlarımız, temel olarak hücre ve protein denatürasyon çalışmaları için kullanılan Arrhenius modeline iyi bir uyum gösterdi. Kolajen dokuların her iki yöntem ile bulduğumuz denatürasyon sıcaklığının, literatürde yer alan başka çalışmalar ile uyumlu olduğu izlendi. Kolajenin ısıya bağlı denatürasyon sürecini incelemek için kullandığımız bu iki yöntem de yüksek teknoloji ve pahalı yöntemlere göre ciddi avantajlar sağlamakta. Sistemin basitliği, ucuzluğu, taşınabilir olması, tekrarlanabilirliğinin yüksek olması gibi avantajları var. Son olarak, bu tezde sunulan çalışma, kolajen başta olmak üzere, diğer proteinler üzerinde de oluşan ısıl süreçleri değerlendirmek için bir kılavuz oluşturmak amacıyla, daha geniş sıcaklık aralıklarında ve diğer doku türleri üzerinde de uygulanabileceği bilinmektedir.
Özet (Çeviri)
The extracellular matrix (ECM) is a complex alloy of various families of proteins that determine structural integrity and different physiological functions. Collagen is the main component of ECM with more than 28 different forms containing at least one triple-helical domain. Collagens perform structural roles and contribute to tissue mechanical features, organization, and form. Via many receptor families, they communicate with cells and control their migration, differentiation, and proliferation. The collagen molecule consists of molecules of triple helical tropocollagen. Fibrils are formed by staggered arrays of collagen molecules, that form collagen fiber. Thermal denaturation normally allows the hydrogen bonds to break and causes the triple helix to unfold. As a result, collagen turns into a non-homogenous protein called gelatine. Collagen and denaturation times have been examined in previous studies using different techniques and at different temperatures. Various spectroscopy and imaging methods, such as, Circular Dichroism Spectroscopy, Fluorescence Spectroscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy, and Atomic Force Microscopy, were used to investigate the collagen denaturation process. The heat-dependent denaturation process of collagen was examined for the first time in literature with an upright microscope by our group. Collagen triple helix structure subjected to heat was observed and heat dependent changes in crimp contrast was studied. To the best of our knowledge, collagen denaturation process was also investigated for the first time with double retarding plate Mueller Matrix Polarimetry system by our group. Upright microscopy setup was designed for solid collagenous tissues, and Mueller Matrix Polarimetry system for collagen solutions dissolved in acetic acid. Since we obtained more than one optical parameter with Mueller Matrix Polarimetry system, we applied Principal Component Analysis (PCA) to our data. Using PCA, collagen samples were successfully separated into natural and denatured, in acetic, and dialyzed solutions. Both our methods have advantages over high technology and expensive methods due to simplicity, high repeatability, and inexpensiveness.
Benzer Tezler
- Optical characterization of collagen in solution by using double integrating sphere system
Çift toplayıcı küre sistemi kullanılarak çözeltideki kolajenin optik nitelendirilmesi
ZEYNEP İREM ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ
PROF. DR. MURAT GÜLSOY
- Ekstrakte edilen doğal atıklardan biyoink hazırlanması ve mueller polarimetri yardımıyla karakterizasyonu
Preparation of bioink from extracted natural wastes and characterization by muller polymimetry
ABDULBAKİ BELET
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Biyomühendislikİstanbul Medeniyet ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT KAZANCİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER POLAT
- Sıçan modelinde polikromatik ışık ve yağ dokusu kökenli mezenkimal kök hücre uygulamasının kornea yara iyileşmesi üzerine etkisi
Effect of polychromatic light and adipose tissue-derived mesenchymal stem cells application on corneal wound healing in a rat model
BETÜL SEHER UYSAL
Doktora
Türkçe
2024
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU
- Study of patterned, multilayered, collagen-based scaffolds designed to serve as a cornea stroma
Kornea stroması yapımı için çok katmanlı desenli kollajen temelli doku iskelelerinin araştırılması
CEMİLE KILIÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
BiyolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VASIF NEJAT HASIRCI
PROF. DR. JOSE CARLOS RODRIGUEZ CABELLO
- Allantoin yüklü kitozan/kollajen skafoldların hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of allantoin loaded chitosan/collagen scaffolds
GİZEM KARACA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Eczacılık ve FarmakolojiMarmara ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKÇEN YAŞAYAN