Prostat kanseri biyobelirteçlerinin tayini için nanoplazmonik platformların hassasiyetinin arttırılması
Enhancing the sensitivity of nanoplasmonic platforms for detecting prostate cancer biomarkers
Yazar: SEMİH ÇALAMAK
Danışman: PROF. DR. KEZBAN ULUBAYRAM
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı / Nanoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyomühendislik = Bioengineering ; Kimya = Chemistry

Özet:
Vücut sıvılarından kanser biyobelirteçlerinin tayini erken teşhis açısından büyük önem taşımaktadır. Lokalize yüzey plazmon rezonans (LSPR) bazlı sistemler hiçbir işaretleyici ajana gerek duymadan ultra-düşük (ag/mL) konsantrasyonlarda biyomoleküllerin tayininde kullanılan en güçlü optik biyosensör sistemleridir. Bu avantajlarına rağmen birçok biyomolekül için tespit limitleri istenilen seviyelerde değildir. Özellikle düşük moleküler ağırlına sahip belirteçler tespit edilememektedir. Bu tez çalışmasının amacı nanoplazmonik platformların hassiyetinin arttırılması ve düşük molekül ağırlıklı belirteçlerin tayini için altın nanopartiküllerin dinamik koşullarda (mikroakışkan platformlarda) "in-situ" olarak büyütürek plazmonik eşleşmelerin arttırılması ve böylece hassasiyeti arttırılmış, kolay ve maliyetsiz nanoplazmonik platformlar geliştirmektir. Tezin ilk bölümünde altın nanopartiküllerin elektrik alan etkileşimlerinin teorik analizleri yapılarak daha hassas bir ölçüm için en uygun altın nanopartikül boyutu ve konfigürasyonu incelenmiştir. Bu amaçla farklı partikül boyutuna sahip altın nanopartiküllerin (20, 50, 80 ve 100 nm) Mie teorisi yöntemi kullanılarak altın nanopartiküllerin yüzeylerinde meydana gelen elektrik alanlar incelenmiş ve en yüksek elektrik alan oluşturan nanopartikül boyutunun 50 nm olduğu bulunmuştur. Daha sonra 50 nm partikül boyutuna sahip altın nanopartikülün ikili, üçlü ve dörtlü dizileri oluşturulmuş en yüksek elektrik alan arttırımının 40.85 V/m ile dörtlü nanopartikül dizisinde olduğu ve 11.10 artış faktorüne (enhancement factor) sahip olduğu gösterilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise elde edilen teorik veriler ışığında farklı partikül boyutuna sahip altın nanopartiküllerin polistiren (PS) yüzeylere polietilenimin (PEI) aracılığıyla immobilize edilerek yüzeylerin nanoplazmonik özellikleri incelenmiş ve nanoplazmonik yüzeylerin en keskin LSPR sinyalini 548±1.5 nm ile 1 mg/mL PEI ile immobilize edildiği yüzeylerin gösterdiği bulunmuştur. Tezin üçüncü bölümünde ise nanoplazmonik platformların hassasiyetinin arttırılması için maliyetsiz yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde PS yüzeye immobilize edilmiş altın nanopartiküller (50 nm) mikroakışkan platformlara entegre edilerek statik ve farklı akış rejimleri gösteren dinamik ortamlarda (laminar ve türbülans akış) "in-situ" olarak büyütülmüştür. Laminar ve türbülans akış rejiminin olduğu mikroakışkan çiplerde altın nanopartiküller artan LSPR sinyaliyle birlikte PS yüzeylerde daha homojen büyüdüğü ve tek sıra halinde diziler oluştuğu gözlenmiştir. "In-situ" partikül büyümelerinden sonra yüzeye başlangıçta 50 nm olarak immobilize edilen altın nanopartiküller statik ortam, laminar akış ve türbülans akış ortamlarında sırasıyla 110±14, 123±12 ve 175±6 ortalama partikül boyutuna ulaşmıştır. Ayrıca "in-situ" partikül büyütmelerinden sonra türbülans "in-situ" nanoplazmonik yüzeylerin LSPR sinyallerindeki sönüm yoğunluklarında 3 kata kadar artışla beraber maksimum dalga boyunda anlamlı kaymalar (kırmızı) gözlemlenmiştir. Tezin son bölümünde ise farklı molekül ağırlığına sahip prostat kanser biyobelirteçleri (BSA (66 kDa), TGF-β1 (12.8 kDa) ve BMP-2 (13 kDa) standart, statik (in-situ) ve türbülans (in-situ) nanoplazmonik yüzeylerde analiz edilmiştir. Türbülans (in-situ) nanoplazmonik yüzeylerin yüksek (BSA) ve düşük molekül ağırlıklı (TGF-β1 ve BMP-2) prostat kanseri biyobelirteçlerinin tayininde 1 pg/mL konsantrasyonundan itibaren standart olarak hazırlanan nanoplazmonik yüzeyler ve statik (in-situ) nanoplazmonik yüzeylere göre daha hassas olduğu gösterilmiştir. Bu sonuçlar, mikroçip içine entegre edilmiş nanoplazmonik platformun güvenilir, doğru, tekrarlanabilir ve uygulanabilir olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Early detection of cancer biomarkers in body fluids has significant importance for early diagnosis of cancer. LSPR technologies are the most powerful optical biosensors that can be used for label-free detection of biomolecules at ultra-low concentrations (ag/mL). Despite these advantages, the detection limits for many biomolecules are not at the desired levels. Especially biomarkers with low molecular weight can not be detected with LSPR sensors. The aim of the thesis is to develop the easy and cost-effective way to improve the sensitivity of nanoplasmonic platforms to detect low molecular weight biomarkers with enhanced plasmon coupling and in-situ gold nanoparticle growth method under static and dynamic conditions (in microfluidic platforms). In the first part of the thesis theoretical analysis of the electric field interactions of gold nanoparticles were investigated to determine the most suitable gold nanoparticle size and configurations for more precise measurement. The electric field enhancements on gold nanoparticles (20, 50, 80 and 100 nm) were investigated using Mie theory and the highest electric field enhancement was observed on the gold nanoparticle, which has the size of 50 nm. After that, double, triple and quadruple gold nanoparticle (50 nm) arrays were assembled and the highest electric field enhancement was calculated for quadruple nanoparticle array with 40.85 V/m electric field and 11.10 electric field enhancement factor. In the second part of the thesis, gold nanoparticles were functionalized on PS surface via polyethyleneimine (PEI). It was found that the nanoplasmonic surfaces showed the sharpest LSPR signal on the PS surfaces modified with 1 mg/mL PEI at 548 ± 1.5 nm maximum wavelength.  In the third part of the thesis, a cost-effective new approach has been developed to increase the sensitivity of nanoplasmonic platforms. In this new approach, gold nanoparticles which were functionalized on PS surface were grown (in-situ) under static and dynamic (laminar and dynamic flow) using microfluidic platforms. In microfluidic chips with laminar and turbulence flow regimes, gold nanoparticles were grown more homogeneously and single row sequences on PS surface with increasing LSPR signal. Gold nanoparticles, which have 50 nm of particle size reached 110 ± 14, 123 ± 12 and 175 ± 6 average particle size in static media, laminar flow, and turbulence flow media after in-situ particle growth, respectively. The maximum wavelengths of nanoplasmonic surfaces were shown red shifts from 548 ± 4 nm to 569 ± 3, 570 ± 2 and 577 ± 4 nm for static in-situ, laminar in-situ and turbulence in-situ nanoplazmonik surfaces, respectively. Furthermore, after in-situ particle growth, turbulence in-situ nanoplasmonic surfaces showed significant red shifts in maximum wavelength along with an increase in extinction intensity in the LSPR signals three times more compared to the standard nanoplasmonic surface. In the last part of the study, detection studies of prostate cancer biomarkers (BSA (66 kDa), TGF-β1 (12.8 kDa) and BMP-2 (13 kDa)) with various molecular weights were carried out on standard, static in-situ and turbulent in-situ nanoplasmonic surfaces. Turbulent in-situ nanoplasmonic surfaces were found more sensitive than standard nanoplasmonic surfaces and static in-situ nanoplasmonic surfaces from 1 pg/mL concentration of high (BSA) and low molecular weight (TGF-β1 and BMP-2) prostate cancer biomarkers. These results have shown that the nanoplasmonic platforms integrated into the microchips are reliable, accurate, reproducible and applicable.