Nükleik asit ve nanomalzeme tabanlı elektrokimyasal biyosensörlerin geliştirilmesi ve kanser tanısına yönelik uygulamaları
Development of nucleic acid and nanomaterial based electrochemical biosensors and their applications for cancer diagnosis
Yazar: MUSTAFA KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. DİLŞAT ARIKSOYSAL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Eczacılık ve Farmakoloji = Pharmacy and Pharmacology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Biyosensörler = Biosensors

Özet:
Bu tezde kanser tanısına yönelik elektrokimyasal nanobiyosensör (nanoaptasensör) temelli alternatif bir tanı yöntemi geliştirilmiştir. Elektrokimyasal biyosensörler hassas, hızlı, seçimli, küçültülebilir, taşınabilir, kolay kullanımı olan ve ekonomik cihazlar olduğundan günümüzde çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadırlar.
	Tez çalışması kapsamında, yerleşik bir kanser biyobelirteci olan insan epidermal büyüme faktörü reseptörü 2 (HER2)'nin meme kanseri hücre hattı MCF7 ve akciğer kanseri hücresi A549'daki varlığı geliştirilen biyosensör teknolojileriyle tayin edilmiştir. Meme kanseri dünyada kadınlarda çok sık görülen kanser türlerinden biridir.  Bu ölümlerin %90'ından fazlası metastatik büyümeyle ilişkilidir. Bu nedenle kanserin erken evrede tespiti, hayatta kalma şansını arttırmak için çok önemlidir. HER2 aslında normal büyüme ve hücre farklılaşmasında rol oynamaktadır. Ancak malign yapılı bir büyüme, HER2'nin aşırı ekspresyonu ile ilişkilidir. Bu nedenle kanser gelişimini gösteren bu durumun erken tanısı, yani düşük HER2 seviyesinin etkin yöntemlerle tayin edilebilmesi tedaviye erken başlanabilmesi için önem taşımaktadır. 
	HER2'nin hızlı, ucuz, hassas ve seçimli tayini için kalem grafit elektrot (PGE) ve ayrıca üç boyutlu yazıcı aracılığıyla üretilen uygun tipte PLA katkı maddeli karbon siyahı (CB) ve karbon nanotüp (CNT) elektrotlar ayrı ayrı tasarlanıp üretilerek elektrokimyasal DNA biyosensörleri geliştirildi. Biyoalgılama çalışmaları öncesinde ilk olarak 3D elektrotlar için optimizasyon çalışmaları yapıldı. Daha sonra biyoalgılayıcı elektrot yüzeylerine elektroaktif etiket içeren HER2 aptamerin immobilizasyonu sağlandı ve MCF-7 ve A549 kanser hücrelerindeki düşük HER2 seviyelerinin tespitine yönelik elektrokimyasal ölçümler diferansiyel puls voltametri (DPV) tekniği ile gerçekleştirildi. Geliştirilen PGE ve 3D elektrot tabanlı biyosensörlerden elde edilen sonuçlar birbirleriyle kıyaslandı. Çalışmada düşük seviyede HER2 analizinde sırasıyla PGE için 106 hücre/20 μL ve 3D elektrotlar için 106 hücre/10 μL derişimleri optimum koşul olarak tespit edildi. Tezde düşük HER2 seviyesindeki değişimleri bile gösterecek hassasiyete sahip, aptamer-hücre etkileşimi üzerinden tayin yapabilen üç farklı türde biyosensör geliştirilerek kanser tanısındaki uygulanabilirliği gösterilmiştir. Bu çalışma ile kısa sürede sonuç veren, pahalı kitlere ve uzmanlığa ihtiyaç duyulmadan analiz yapılabilecek, sağlık alanı için alternatif bir tanı yöntemi geliştirilmiştir.

Abstract:
In this thesis, an alternative diagnostic method based on electrochemical nanobiosensor (nanoaptasensor) has been developed for cancer diagnosis. Electrochemical biosensors are used in a wide variety of fields today, as they are sensitive, fast, selective, miniaturized, portable, easy to use and economical devices.
	Within the scope of the thesis study, the presence of human epidermal growth factor receptor 2 (HER2), an established cancer biomarker, in breast cancer cell line MCF7 and lung cancer cell A549 was determined with developed biosensor technologies. Breast cancer is one of the most common cancer types in women around the world. More than 90% of these deaths are associated with metastatic growth. Therefore, detecting cancer at an early stage is very important to increase the chances of survival. HER2 actually plays a role in normal growth and cell differentiation. However, a malignant growth is associated with overexpression of HER2. Therefore, early diagnosis of this expression indicating the development of cancer, that is, determination of low HER2 level with effective methods, is important in order to start treatment early.
	For the fast, cheap, sensitive and selective determination of HER2, electrochemical DNA biosensors were designed separately by using a pencil graphite electrode (PGE) and then carbon black (CB) and carbon nanotube (CNT) electrodes with appropriate types of PLA additives produced via a three-dimensional printer. Before biosensing studies, optimization studies were first carried out for 3D electrodes. Then, the HER2 aptamer containing the electroactive label was immobilized on the electrode surfaces, and electrochemical measurements for the detection of low HER2 levels in MCF-7 and A549 cancer cells were performed by using differential pulse voltammetry (DPV) technique. The results obtained from the developed PGE and 3D electrode-based biosensors were compared with each other. In the study, in low level HER2 analysis, concentrations of 106 cells/20 μL for PGE and 106 cells/10 μL for 3D electrodes were determined as the optimum conditions, respectively. In the thesis, three different types of biosensors that are sensitive to detect changes in even low HER2 levels and can be determined through aptamer-cell interaction have been developed and their applicability in cancer diagnosis has been demonstrated. With this study, an alternative diagnostic method for the healthcare field has been developed that provides results in a short time and can be analyzed without the need for expensive kits and expertise.