Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
507116		A lab-on-a-chip system integrating dielectrophoretic detection and impedance counting units for chemotherapy guidance in leukemia / Kemoterapinin yönlendirilmesini sağlayacak dielektroforetik teşhis ve empedans sayma birimlerinin entegre edildiği çip-üstü-laboratuvar sistemi Yazar:YAĞMUR DEMİRCAN YALÇIN Danışman: PROF. DR. HALUK KÜLAH Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering Dizin:	Onaylandı Doktora İngilizce 2018 209 s.
Hassas tıp, hasta diğer hastalarla benzer klinik özelliklere sahip olsa dahi, hastanın genetik, biyo-işaretçi, fenotipik ya da fiziko-sosyal karakteristikleri dikkate alınarak; kişiye özel geliştirilecek şekilde tasarlanan tedavilerin genel adıdır. Onkoloji, hassas tıbbın önde gelen uygulama alanlarından biridir. Fakat, amacı oldukça açık ve basit olmasına rağmen, hassas tıbbın klinikte kanser hastalarına uygulanmasının bazı zorlukları bulunmaktadır. Tümör heterojenliği bu zorlukların en önemlilerinden bir tanesidir. Bu durum tek bir genetik anormalliği hedef alarak optimum tedaviye ulaşmayı imkânsız kılmaktadır. Tümör içerisinde, çoklu ilaç dirençliliğine sahip alt popülasyonların oluşması bir tümör heterojenliği konseptidir. Bu tezin ana amacı, lösemi hücrelerinde çoklu ilaç dirençliliğinin tespitidir. Dielektroforez yöntemi ile çoklu ilaç dirençliliğinin tespitini sağlayacak sistemin, analiz parametrelerinin belirlenmesi adına; Annexin V/PI şeklinde adlandırılan biyolojik analizler ve iyon salınımını ölçme temelli empedans spektrum analizi (elektriksel) tamamlanmıştır. Tez sürecinde kullanılan hücre hatları yüksek-seviye laboratuvar ve klinik ile alakalı rezistans modeli olarak sınıflandırılmıştır. Ardından, apoptozis analizleri sayesinde, elektriksel analizlerde K562 hücrelerine imatinib CCRF-CEM hücrelerine doxorubicin uygulanması gereken doz ve saatler belirlenmiştir. Bu saat ve doz doxorubicin ve CCRF-CEM hücreleri için 18s ve 250 nM iken, K562 hücreleri ve imatinib uygulaması için 24s ve 300 nM oluştur. Hücrenin sitoplazmik iletkenliği fizyolojik özelliklerine bağlı olarak değişen anahtar parametrelerden birisidir. Bu değere ulaşılabilmesi adına, iyon salınımını ölçme tabanlı empedans spektroskopi metodu literatürde ilk defa bir hücrenin ortalama toplam iyon konsantrasyonunu belirlemek için bu çalışmada kullanılmıştır. Sonuç olarak, imatinib dirençli K562 hücrelerinin toplam iyon konsantrasyonu "wild type" olanlardan 1.78 kat fazla çıkarken, CCRF-CEM hücrelerinde bu oran 1.2 olarak tespit edilmiştir. Bu oranlar kullanılarak, K562 hücreleri için DEP solüsyonu iletkenliği 200 mS/m ve çalışma frekansı 8.59 MHz olarak belirlenmiştir. Bu parametreler CCRF-CEM hücreleri için 160 mS/m ve 6.15 MHz'dir. Tasarlanan çip-üstü-laboratuvar sistemi DEP alanı için hem 3 boyutlu hem de planar elektrot tipleri seçilmiş ve hücre sayma birimleri ile entegre edilmesi sağlanmıştır. Yüksek iletkenlikli DEP solüsyonları ile çalışırken yüksek DEP kuvvetine ihtiyaç olmasına rağmen, 3 boyutlu elektrotlar, lösemi hücrelerinin elastikliği sebebi ile kanal içinde hidrodinamik hücre yakalama alanları yarattıkları için DEP kuvveti ile yakalanan hücrelerin yorumlanmasında yanlış yorumlama yarattığından analizlere planar elektrotlar ile devam edilmiştir. Normal büyüme şartlarında 3 biyolojik örnekle tekrar edilen K562 hücreleri deneylerinde, DEP etkisi altında imatinib dirençli K562 hücreleri %57.6 (±6.7%) tutunma gösterirken, "wild type" K562 hücreleri %20.3 (±4.2%) yakalanabilmiştir. Bu durum, tümör heterojenliğinin ÇİD seviyesi açısından DEP ile belirlenebildiğini göstermektedir. Ayrıca, 24s ilaç etkisi altında büyütülmüş K562 hücreleri aynı sistem ile analiz edildiğinde, tutunmanın yarıya düştüğü ilaç etkisi analizlerinin de bu sistemle yapılabileceğine örnek oluşturarak gösterilmiştir. Sonuç olarak, tasarlanan çip-üstü-laboratuvar sisteminin hem tümör heterojenliğinin hem de ilaç dirençliliğinin nicel olarak değerlendirilmesinde kullanılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, parilen kanala hücre yapışması, inlet rezervuarında hücre çökmesi ve kanalın her hücre analizi arasında temizlenmesi sorunları; kanal kaplama prosedürlerinin optimize edilmesi, ölü hacim oranını azaltan ara parçaların kullanılması ve kanal girişinden önce vana ve mikro tüplerden oluşan bir kanal temizleme sisteminin entegre edilmesi ile çözülebilir.
Precision medicine is defined as therapies, directed to the requirements of individual patients on the basis of genetic, biomarker, phenotypic, or psychosocial characteristics, discriminating a given patient from others with similar clinical states. Oncology is the foremost application area of precision medicine. Although the aim of precision medicine is very clear and simple, the clinical practice of it in cancer patients has some challenges, such as tumor heterogeneity. Tumor heterogeneity can be the most challenging part, causing that the targeting a single genetic abnormality cannot be optimum way of controlling the cancer. Multidrug resistant sub-clone formation is one of the heterogeneity concepts. The detection of multidrug resistance in leukemia cancer cells is the main aim of this thesis. Biological and electrical characterization, Annexin V/PI apoptosis assay and ion release-based impedance spectroscopy, respectively, have been carried out to determine the parameters of drug resistance detection, based on dielectrophoresis. The cell lines in our laboratory were classified as high-level laboratory and clinically relevant model of resistance. Next, the aim in the apoptosis assays was to determine correct time and doses for the screening of imatinib and doxorubicin effects on K562 and CCRF-CEM cells by electrical analysis. For CCRF-CEM/wt cells, time and dose were determined as 18h and 250 nM doxorubicin while the major death mode in K562/wt cells was not observed as apoptosis. Therefore, 24h and 300 nM imatinib were chosen for K562/wt cells' electrical examinations. Cell cytoplasmic conductivity is one of the key parameters, changing according to physiological properties of cells. Ion release-based impedance spectroscopy was utilized for the first time in the literature to determine average total ion concentration of a cell. Results show that the total ion concentration of K562/imaR cells was 1.78 times higher than that of K562/wt ones while CCRF-CEM/doxR cells have 1.2 times higher ion concentration than wild type ones. Using the ratio between K562 cells, DEP medium conductivity and operation frequency were determined as 200 mS/m and 8.59 MHz. Values were identified as 160 mS/m and 6.15 MHz for CCRF-CEM cells. 3D and planar electrodes were implemented in LOC system integrated with the IS counting units for quantification of trapped cells by DEP. Although higher DEP force is necessary in high conductivity buffer-based DEP, 3D-obstacle electrodes acted like hydrodynamic traps due to the elasticity of leukemia cells and misinterpretation in trapping analysis occurred. Therefore, analyses were continued with planar electrode devices. Under normal growth conditions, 3 biological replicates of K562/wt and K562/imaR cells were analyzed with this LOC system at 8.59 MHz and 20 Vpp voltage immersing them into a DEP solution, having 200 mS/m conductivity. 57.6% (±6.7%) of resistant cells were trapped on electrodes while wild type ones were trapped with a ratio of 20.3% (±4.2%). This can be interpreted as the tumor heterogeneity can be determined in terms of MDR level. Drug exposed K562 cells during 24h were analyzed by the LOC system. Results show that the trapping ratio of wild type cells exposed to drug was decreased to half of control group, endorsing that DEP can achieve drug screening. In conclusion, DEP can achieve both the quantification of tumor heterogeneity in terms of drug resistance and drug screening. As a future work, cell adhesion to parylene, cell precipitation in inlet reservoir, and channel cleaning problems should be solved by optimizing channel coating procedure, using zero-dead-volume interfaces, and constructing a valve-tubing system at the inlet of LOC system, respectively.