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
- Tez No: 902417
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT KAYA YAPICI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
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
- Ovulasyon indüksiyonu tedavisinde folliküler gelişimin ultrasonografik takibi
Başlık çevirisi yok
MERİH BAYRAM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Makro besin elementlerinin (NPK) İzmir'de Mayıs ayında açığa dikilen 4-6 cm çevre büyüklüğündeki Gladiolus cinsine ait“hunting song”ve“Novalüx”kültür çeşitlerinin yumrularının gelişmeleri üzerine etkileri
Başlık çevirisi yok
TAHA ALİ AMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
ZiraatEge ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN HATİPOĞLU
- Sanayi politikaları ve planlı dönemde imalat sanayine etkileri
Başlık çevirisi yok
AHMET CAFOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
EkonomiGazi ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YALÇIN EROL
- Pulmoner hipertansiyon etyopatogenezinde prostasiklin ve lökotrien C4'ün rolü
Possible role of leukotrien C4 and prostacyclin in the development of pulmonary hypertension
ÜLKÜ AYBERK
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Çocuk Sağlığı ve HastalıklarıGazi ÜniversitesiÇocuk Sağlığı ve Hastalıkları Ana Bilim Dalı
- Kurbağa gastrik mukozasında K-H ATPaz enziminin kinetik özellikleri ve oluşturulan ülser modelinde enzim aktivitesi
Başlık çevirisi yok
SEYHAN TÜKEL