Geri Dön

Development of microRNA-based lab-on-a-chip biosensor platforms with direct electrical readout for screening of colorectal cancer biomarkers

Kolorektal kanser biyobelirteçlerinin taraması için doğrudan elektriksel okuma özellikli mikroRNA tabanlı çip-üstü-laboratuvar biyosensör platformlarının geliştirilmesi

  1. Tez No: 902417
  2. Yazar: OSMAN ŞAHİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT KAYA YAPICI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 224

Özet

Kanserin başlangıcını ve ilerlemesini anlamak ve etkili tedaviler geliştirmek üzerine disiplinlerarası araştırmalar uzun süredir devam etmektedir. Moleküler, genetik ve biyokimyasal analizler ile mikroskopi tekniklerindeki son gelişmeler, kanser mekanizmalarına dair hayati bilgiler sağlamıştır. Bu çalışmalarda, küçük kodlama yapmayan RNA molekülleri olan mikroRNA'ların (miRNA'lar) seviyelerinin, sağlıklı bireylere kıyasla kanserli dokularda ve kanda farklılık gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu farklılık, kanserin türü ve evresine de bağlıdır bu da miRNA'ların kanser taraması için biyomarker olarak potansiyelini güçlendirmektedir. Geleneksel miRNA analiz yöntemleri, örneğin polimeraz zincir reaksiyonu (PCR), maliyetli, zaman alıcıdır ve özel ekipman gerektirir. Öte yandan, Covid-19 pandemisi sırasında da görüldüğü gibi, hızlı, ucuz, etkili ve erişilebilir hasta başında teşhis (point-of-care) tanı teknikleri hayati öneme sahiptir. Bu tez, mevcut analiz yöntemlerindeki bu sorunların üstesinden gelmek amacıyla, pratik, ekonomik ve hızlı tanı sistemlerine yönelik ihtiyaçları karşılamak için“tak-çalıştır”ve tek kullanımlık mikroRNA biyosensör çipleri geliştirmeyi hedeflemektedir. Geliştirdiğimiz miRNA biyosensör çipleri, mikroakışkan kanallarla entegre edilmiş MEMS/NEMS tabanlı miRNA biyosensörlerini doğrudan elektriksel tespit ile entegre etmektedir, bu da çip-üstü-laboratuvar (lab-on-a-chip) ilkeleriyle uyumludur. MiRNA biyosensörleri, 50 nm'den küçük bir altın nanotel (AuNWs) üzerine yerleştirilen tamamlayıcı bir“prob”dizisi ile miRNA biyomarkerinin etkileşimiyle oluşan direnç değişimini tespit edebilir ve bu işlem için pahalı ara moleküller ve amplifikasyon sistemleri gerektirmez. Bildiğimiz kadarıyla, metal nanotel tabanlı doğrudan direnç ölçümü yapabilen bir miRNA biyosensörü literatürde bir ilktir. Farklı 6-Mercapto-1-hexanol (MCH) konsantrasyonlarıyla yapılan duyarlılık testlerinde, 10 mM MCH sensöre uygulandığında yaklaşık %15'lik bir direnç artışı gözlemlenmiştir. Kolorektal kanser için bir biyomarker olarak miRNA (miR-A) kullanıldığında, sensörler 10 µM miRNA'da %6.48'lik ve 1 pM miRNA'da %0.15'lik bir direnç değişikliği göstermiştir, bu da 1 pM ila 10 nM geniş tespit aralığı içinde 81.28 pM gibi düşük bir tespit limiti (LOD) elde edildiğini göstermektedir. Sensörler, tamamlayıcı olmayan hedef dizilerle test edildiğinde yüksek özgüllük sergileyerek doğru ve güvenilir tespit sağladığını kanıtlamıştır. Ayrıca, altın nanotel (AuNW) dizileri, hasta kan serumundaki miRNA ile etkin bir şekilde test edilmiştir ve burada miRNA konsantrasyonları 60 fM ile 760 fM arasında değişmiştir (3.02 x 10⁻5 ile 3.81 x 10⁻4 ng/ml eşdeğerinde). Bu konsantrasyon aralığında, elde edilen elektriksel yanıt doğrultusunda tespit limiti (LOD) 416 fM olarak belirlenmiştir, özellikle 230 fM ila 760 fM aralığında. XPS, FTIR, Nano-FTIR, floresan mikroskobu, Q-PCR, FE-SEM ve AFM gibi çeşitli analitik teknikler, tek sarmallı peptit nükleik asidin (ssPNA) ve miRNA'nın AuNWs üzerindeki immobilizasyonunu ve hibridizasyonunu karakterize etmek ve doğrulamak için kullanılmış ve geliştirilen miRNA biyosensör çiplerinin teşhis potansiyelini doğrulamıştır.

Özet (Çeviri)

Interdisciplinary research has long been focused on understanding the onset and progression of cancer and developing effective treatments. Recent advances in molecular, genetic, and biochemical analyses, along with microscopy techniques, have provided crucial insights into cancer mechanisms. In these studies, it has been observed that the levels of microRNAs (miRNAs), which are small non-coding RNA molecules, differ in cancerous tissues and blood compared to healthy individuals. This variation also depends on the type and stage of cancer, strengthening the potential of miRNAs as biomarkers for cancer screening. Traditional miRNA analysis methods, such as polymerase chain reaction (PCR), are costly, time-consuming, and require specialized equipment. On the other hand, as seen during the Covid-19 pandemic, rapid, inexpensive, effective, and accessible point-of-care diagnostic techniques are of vital importance. To overcome these issues in current analysis methods, this thesis aims to address the need for practical, economical, and rapid diagnostic systems by developing“plug-and-play”and disposable microRNA biosensor chips. Our developed miRNA biochips integrate MEMS/NEMS-based miRNA biosensors capable of direct electrical detection with microfluidic channels, in line with lab-on-a-chip principles. MiRNA biosensors can detect by the resistance change created by the interaction between the miRNA biomarker and a complementary sequence“probe”positioned on a single gold nanowire (AuNWs) smaller than 50 nm, without needing costly intermediary molecules and amplification systems. To the best of our knowledge, a miRNA biochip capable of direct resistance measurement based on metal nanowires is a first in the literature. Sensitivity tests conducted with different concentrations of 6-Mercapto-1-hexanol (MCH) show approximately a 15% increase in resistance when 10 mM MCH is applied to sensor. Using miRNA (miR-A) as a biomarker for colorectal cancer, the sensors demonstrated a significant 6.48% resistance change at 10 µM miRNA and a 0.15% change at 1 pM miRNA, with a detection limit (LOD) as low as 81.28 pM across a broad detection range of 1 pM to 10 nM. The sensors also exhibited high specificity when tested against non-complementary target sequences, ensuring accurate and reliable detection. Furthermore, the gold nanowire (AuNW) arrays were effectively tested with miRNA in patient blood serum, where miRNA concentrations ranged from 60 fM to 760 fM (equivalent to 3.02 x 10-5 to 3.81 x 10⁻⁴ ng/ml). Within this concentration range, the limit of detection (LOD) was determined to be 416 fM, specifically within the 230 fM to 760 fM range, based on the obtained electrical response. Various analytical techniques, such as XPS, FTIR, Nano-FTIR, fluorescence microscopy, Q-PCR, FE-SEM, and AFM, were employed to characterize and verify the immobilization and hybridization of single-stranded peptide nucleic acid (ssPNA) and miRNA on AuNWs, confirming the diagnostic potential of the developed miRNA biochips.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    736211

    Classification of microRNA-disease associations and microRNA-species associations based on k-mer sequence representation

    K-mer sekans gösterimine dayalı microRNA-hastalık ilişkilerinin ve microRNA-tür ilişkilerinin sınıflandırılması

    YALÇIN HAN ERBAŞI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAbdullah Gül Üniversitesi

    Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU GÜNGÖR

  2. Tez No

    649961

    Karbon nanotüp temelli kompozitlere dayalı elektrokimyasal biyosensörlerin geliştirilmesi ve miRNA tayinine yönelik uygulamaları

    Development of electrochemical biosensors based on carbon nanotube based composites and their applications on the detection of miRNA

    SELEN SOYALP

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    KimyaEge Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADRİYE ARZUM ERDEM GÜRSAN

  3. Tez No

    444549

    Development of spion-based theranostic nanocarriers for small rna delivery and cancer gene therapy

    Küçük rna iletimi amaçlı spıon temelli teranostik nanotaşıyıcıların geliştirilmesi ve kanser gen tedavisinde kullanımı

    ESRA SİNOPLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    BiyomühendislikSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM GÖZÜAÇIK

  4. Tez No

    804157

    Nanokil modifiye tek kullanımlık elektrotların geliştirilmesi ve kanser biyobelirteci mikrorna-21 analizinde elektrokimyasal biyosensör tabanlı tanı kitine yönelik uygulamaları

    Development of nanoclay modified single-use electrodes and their applications on electrochemical biosensor-based diagnostic kit for the analysis of cancer biomarker microrna-21

    ESMA YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    BiyomühendislikEge Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KADRİYE ARZUM ERDEM GÜRSAN

  5. Tez No

    501863

    Development of protein-conjugated spion-based theranostic nanoparticles as small RNA gene therapy vehicles in cancer treatment

    Küçük RNA taşınması ve kanser gen terapisinde kullanılmak amaçlı protein konjuge edilmiş, spion tabanlı teranostik nanopartiküllerin geliştirilmesi

    MUHAMMED KOÇAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyolojiSabancı Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEVRİM GÖZÜAÇIK

Geri Dön