Çoklu spektroskopik tekniklerle (EDXRF, ICP-MS, Raman) farklı kanserli doku tiplerinin karakterizasyonu ve sınıflandırılması
Characterization and classification of different cancer tissue types with multi-spectroscopic techniques (EDXRF, ICP-MS, Raman)
- Tez No: 955158
- Danışmanlar: PROF. DR. YÜKSEL ÖZDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 170
Özet
Amaç: Bu tez çalışmasının temel amacı, meme, akciğer, kolon, mesane ve prostat gibi farklı kanser türlerine ait dokularda meydana gelen biyokimyasal ve fiziksel değişimleri; X-Işını Floresans (XRF), İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) ve Raman spektroskopisi teknikleri aracılığıyla inceleyerek, kanserli ve sağlıklı dokular arasında ayırt edici özelliklerin belirlenmesidir. Çalışmada her doku türü için tümörlü ve sağlıklı örnekler gruplar halinde karşılaştırılarak, bireyler arası biyolojik değişkenliğin etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Özellikle iyonlaştırıcı radyasyonla etkileşim parametreleri olan kütle soğurma katsayısı (MAC), dokulardaki eser element düzeyleri ve moleküler titreşim profilleri temel alınarak; bu dokuların kanserli olup olmadığını ayırt etmede kullanılabilecek spektral ve kimyasal biyobelirteçlerin tanımlanması hedeflenmiştir. Ayrıca, farklı kanser türleri arasında ortak biçimde gözlemlenebilecek elementel ya da spektral düzeydeki değişimlerin saptanması, bu parametrelerin evrensel biyobelirteçler olarak değerlendirilebilme potansiyelini ortaya koymak açısından çalışmanın önemli bir amacını oluşturmaktadır. Böylelikle hem kanser tanısının erken evrede ve yüksek doğrulukla yapılabilmesi, hem de tedaviye yön verebilecek biyofiziksel ve biyokimyasal verilerin elde edilmesi amaçlanmıştır. Yöntem: Araştırmamızda, beş farklı kanser türüne ait toplam 200 biyolojik doku örneği detaylı olarak analiz edilmiştir. Her bir kanser türü için, 20 farklı bireyden hem tümörlü hem de sağlıklı olmak üzere iki ayrı doku örneği alınmıştır. Bu sayede, aynı bireyden elde edilen karşılaştırmalı veriler ile tümör ve sağlıklı dokular arasındaki biyokimyasal farklılıklar daha hassas biçimde değerlendirilebilmiştir. Örneklem grupları, yaş ve cinsiyet gibi demografik özellikler bakımından dengeli bir şekilde seçilerek analizlerin güvenilirliği ve genellenebilirliği artırılmıştır. X-Işını Floresans (XRF) analizlerinde, sekiz farklı gama ışını enerjisi kullanılarak her doku örneğinin kütle soğurma katsayısı hesaplanmıştır. Elde edilen MAC değerleri yaş grubu, cinsiyet ve doku tipine göre karşılaştırılmıştır. İndüktif Eşleşmiş Plazma Kütle Spektrometresi (ICP-MS) analizlerinde ise her örnekte 20 farklı eser elementin (B, Na, Al, P, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, Ag, Cd, Sb, Hg, Pb) kantitatif düzeyleri ölçülmüştür. Farklı kanser türleri arasındaki karşılaştırmalarda Kruskal–Wallis testi ile genel farklar, Dunn testi ile ikili farklar istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Raman spektroskopisi ile elde edilen spektral veriler temel sinyal işleme adımlarından geçirildikten sonra, her bireyden alınan üç tekrarlı ölçümün ortalaması alınarak temsilî spektrum oluşturulmuştur. İşlenmiş spektrumlar The Unscrambler X yazılımına aktarılarak Temel Bileşen Analizi (PCA) ve Lineer Diskriminant Analizi (LDA) uygulanmıştır. PCA ile varyansı yüksek boyutlara indirgeme sağlanırken, LDA yöntemi sınıf etiketlerine göre örnekleri en iyi ayıran doğrusal düzlemleri belirlemiştir. Raman spektrumları üzerinden yapılan bu analizler, hücredeki temel yapısal içeriklere ait değişimleri koymuş ve tümörleşme sürecine bağlı spektral farklılıkların belirlenmesine olanak sağlamıştır. Bulgular: XRF analizleri sonucunda, genel olarak kanserli dokuların kütle soğurma katsayısı (MAC) değerlerinin sağlıklı dokulara göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu fark özellikle meme ve prostat dokularında daha belirgin düzeyde gözlenmiş ve dokuların iyonlaştırıcı radyasyonla etkileşim özelliklerinin tümörleşme sürecinde değiştiğini düşündürmüştür. Ayrıca MAC değerlerinin uygulanan gama ışını enerjisine göre farklılık gösterdiği ve bu değişimlerin uluslararası standart verilerle büyük ölçüde uyumlu olduğu görülmüştür. ICP-MS analizlerinde, ölçülen 20 eser elementten 17'si için farklı kanser türleri arasında istatistiksel olarak anlamlı farklar saptanmıştır. Özellikle kalsiyum (Ca), çinko (Zn), krom (Cr), molibden (Mo) ve sodyum (Na) gibi elementlerin, bazı kanser türlerinde ayırt edici düzeyde farklılaştığı görülmüştür. Potasyum (K) ve fosfor (P) element düzeylerinin genç yaş grubundaki tümörlü bireylerde anlamlı artış göstermesi, tümör biyolojisi ile yaş arasındaki ilişkiye dikkat çekmiştir. Bazı elementlerin birden fazla kanser türünde benzer eğilim göstermesi ise olası ortak biyokimyasal mekanizmaların varlığına işaret etmiştir. Raman spektroskopisi sonuçlarında, Temel Bileşen Analizi (PCA) ve Lineer Diskriminant Analizi (LDA) ile elde edilen dağılım grafiklerinde tüm doku tiplerinde sağlıklı ve tümörlü grupların yüksek oranda ayrıştığı görülmüştür. Bu ayrım özellikle meme ve akciğer dokularında oldukça net biçimde izlenmiştir. Elde edilen spektral profiller, tümör gelişimine bağlı moleküler düzeydeki değişikliklerin Raman sinyalleri ile etkin biçimde yakalanabildiğini göstermiştir. Bu durum, Raman tekniğinin tanısal potansiyelini ve kanserli dokuların spektral karakterizasyonundaki gücünü desteklemektedir. Sonuç: Bu tez çalışmasında, XRF, ICP-MS ve Raman spektroskopisi olmak üzere üç farklı ileri analiz yöntemi entegre edilerek, beş farklı kanser türüne ait doku örneklerinin sağlıklı karşıtlarıyla kimyasal ve yapısal farklılıkları kapsamlı şekilde değerlendirilmiştir. Analizler, kanserli dokuların hem iyonlaştırıcı radyasyonla etkileşim özellikleri hem eser element profilleri hem de moleküler yapıları açısından sağlıklı dokulardan sistematik ve anlamlı farklılıklar gösterdiğini ortaya koymuştur. Kullanılan yöntemlerin kombinasyonu, özellikle Raman spektroskopisinin moleküler düzeydeki değişimleri hassas biçimde yakalayarak tanı süreçlerinde büyük potansiyel taşıdığını vurgulamıştır. Ayrıca PCA ve LDA gibi istatistiksel yaklaşımların entegrasyonu sayesinde dokuların doğru sınıflandırılması başarıyla sağlanmıştır. Gelecekte yapılacak çalışmalarda, daha geniş örneklem gruplarının ve farklı biyolojik materyallerin (kan, serum, idrar gibi) analize dahil edilmesi, elde edilen bulguların klinik uygulamalara taşınmasında önemli bir adım olacaktır. Ayrıca uzun süreli takip çalışmaları ve zaman serisi analizleri ile tümör gelişim süreçlerinin moleküler dinamiklerinin daha detaylı incelenmesi önerilmektedir. Bu yönde yapılacak çalışmalar, erken tanı imkânlarının geliştirilmesi ve tedavi etkinliğinin izlenmesi açısından değerli katkılar sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
Purpose: The primary objective of this thesis study is to investigate the biochemical and physical changes occurring in tissues from different cancer types such as breast, lung, colon, bladder, and prostate by using X-Ray Fluorescence (XRF), Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), and Raman spectroscopy techniques, aiming to identify distinguishing features between cancerous and healthy tissues. In this study, tumor and healthy samples for each tissue type were compared in groups to reduce the impact of biological variability between individuals. The goal is to define spectral and chemical biomarkers based on parameters such as mass attenuation coefficient (MAC), trace element levels in tissues, and molecular vibration profiles that can be used to accurately discriminate whether tissues are cancerous. Additionally, detecting elemental or spectral changes commonly observed across different cancer types constitutes an important aim of the study to evaluate the potential of these parameters as universal biomarkers. Thus, the study aims to enable early and highly accurate cancer diagnosis as well as to obtain biophysical and biochemical data that can guide treatment. Method: In our study, a total of 200 biological tissue samples from five different cancer types were analyzed in detail. For each cancer type, two separate tissue samples were collected from 20 different individuals, one tumor and one healthy. This approach allowed for a more precise evaluation of the biochemical differences between tumor and healthy tissues through comparative data obtained from the same individuals. The sample groups were selected in a balanced manner with respect to demographic characteristics such as age and gender, thereby enhancing the reliability and generalizability of the analyses. In X-Ray Fluorescence (XRF) analyses, the mass attenuation coefficient of each tissue sample was calculated using eight different gamma-ray energies. The obtained MAC values were compared according to age group, gender, and tissue type. In Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) analyses, quantitative levels of 20 different trace elements (B, Na, Al, P, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, Ag, Cd, Sb, Hg, Pb) were measured in each sample. Statistical differences among different cancer types were evaluated using the Kruskal–Wallis test for overall differences and the Dunn test for pairwise comparisons. The spectral data obtained from Raman spectroscopy underwent basic signal processing steps, and an average representative spectrum was created by averaging three repeated measurements taken from each individual. The processed spectra were analyzed by applying Principal Component Analysis (PCA) and Linear Discriminant Analysis (LDA) using The Unscrambler X software. PCA was used for dimensionality reduction focusing on high variance components, while LDA determined linear planes that best separate samples according to class labels. These analyses on Raman spectra revealed changes in key structural components within cells and enabled the identification of spectral differences associated with tumor formation. Findings: XRF analyses showed that, in general, cancerous tissues had higher mass attenuation coefficient (MAC) values compared to healthy tissues. This difference was especially pronounced in breast and prostate tissues and suggested that tissue interactions with ionizing radiation change during tumorigenesis. Additionally, MAC values varied according to the gamma-ray energy applied, and these variations were largely consistent with international standard data. In ICP-MS analyses, statistically significant differences between cancer types were found for 17 of the 20 measured trace elements. Particularly, elements such as calcium (Ca), zinc (Zn), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and sodium (Na) exhibited discriminative variations in certain cancer types. Potassium (K) and phosphorus (P) levels showed significant increases in tumor tissues of younger individuals, highlighting a link between tumor biology and age. Similar trends for some elements across multiple cancer types indicated possible common biochemical mechanisms. Raman spectroscopy results demonstrated that PCA and LDA score plots revealed a high degree of separation between healthy and tumor groups across all tissue types, with the clearest distinctions observed in breast and lung tissues. The spectral profiles obtained showed that molecular-level changes due to tumor development can be effectively captured by Raman signals, supporting the diagnostic potential of Raman spectroscopy and its power in spectral characterization of cancerous tissues. Results: This thesis comprehensively evaluated the chemical and structural differences between healthy and cancerous tissue samples from five different cancer types by integrating three advanced analytical methods: XRF, ICP-MS, and Raman spectroscopy. The analyses revealed that cancerous tissues systematically and significantly differ from healthy tissues in terms of their interaction with ionizing radiation, trace element profiles, and molecular structures. The combination of methods emphasized the strong potential of Raman spectroscopy in accurately capturing molecular-level changes, making it a promising tool for diagnostic applications. Moreover, the integration of statistical approaches such as PCA and LDA enabled successful classification of tissues. Future studies incorporating larger sample sizes and different biological materials (such as blood, serum, urine) into the analysis will be an important step toward translating these findings into clinical practice. Additionally, long-term follow-up studies and time-series analyses are recommended to more deeply investigate molecular dynamics during tumor progression. Such studies could provide valuable contributions to improving early diagnosis capabilities and monitoring treatment efficacy.
Benzer Tezler
- Bazı naftaldimin ve salisilaldiminlerin çeşitli voltametrik tekniklerle elektrokimyasal davranışlarının incelenmesi
Investigation of electrochemical behaviour of some naphtaldimines and salicilaldimines by various voltammetric techniques
FARUK GÖKMEŞE
- Sulu ortamda şeker seviyesi ölçmek için kemosensör sentezi
Synthesis of chemosensor for measuring sugar in aqueous environment
ALPASLAN GÜLTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
KimyaMuğla Sıtkı Koçman ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SAID NADEEM
- Çoklu makrohalkalı aromatik bileşiklerin sentezi ve afinite uygulamaları
Synthesis of multi macrocyclic aromatic compounds and their affinity applications
HİLAL KALKAN
- Addition reactions of aromatic compounds to multiple bonds in the presence of metal trifluoromethanesulfonates
Aromatik bileşiklerin çoklu bağlara metal triflormetansülfonatlar varlığında katılma tepkimeleri
BARIŞ TEMELLİ
- Yeni tip periferal ve nonperiferal tiyazol sübstitüye metaloftalosiyaninler
A new type peripherally and nonperipherally thiazol substituted soluable phthalocyanines
EMİNE GÜLRUH DURUK
