Development of nanoparticle-modified sensor platform for cancer marker detection

Abstract

İnsan kanındaki kanser biyomarkırlarının algılanması ve miktarlarının ölçülmesi hastalara erken tanı konulması için hayati önem taşımaktadır. Biyosensor teknolojisindeki en son gelişmeler invasiv olmayan yöntemlerle uygulama zamanını ve maliyeti de düşürerek tanıyı güçlendirmektedir. Böyle bir teşhis sisteminin geliştirilmesi, hızla gelişen biyoteknoloji endüstrisinin bir ihtiyacı olup kimya mühendisliği, mikro elektronik ve biyoloji alanlarını kapsayan çok disiplinli bir araştırma gerektirmektedir.Bu çalışma kanser marker ölçümünde hassasiyeti artırmak amacıyla nanomalzemelerle modifiye edilmiş sensor platform geliştirmeye odaklanmıştır. Elektrokimyasal kapasitif biyosensor altın nanopartiküller ve magnetik boncuklar olmak üzere iki alternatif nanomalzeme kullanılarak geliştirilip kanser markerlarının teşhisinde ilk defa kullanılmıştır. Başlangıç olarak, biyolojik metodlar ve yüzey kimyaları surface plasmon rezonans (SPR) ve quartz crystal microbalance (QCM) sensörler kullanılarak doğrulanmıştır. Bu araştırmalardan elde edilen başarılı sonuçlar, methodların biyolojik marker ölçümündeki hassasiyetini ve güvenilirliğini artırmak amacıyla elektrokimyasal temelli kapasitif sensöre transfer edilmiştir. SPR ve QCM'de optimize edilmiş metodlar herhangi bir sinyal artırıcı araç kullanmadan kapasitif sensöre uygulandığında markır ölçüm hassasiyetinde 6 katlık bir artış elde edilmiştir. Ancak, insan kanındaki bazı markırların teşhisi, kanser seviyelerinin iz miktarda oluşu ve/veya boyutlarının küçük oluşu nedeniyle zordur. Gerçek hasta örnekleri kanser teşhisinde kullanılacak hedef markırın yanısıra çeşitli biyolojik molekülleri içerir ve bu durum spesifik olmayan ölçüm sonuçlarına sebep olduğundan biyosensorlerin verdiği sinyal arttırılarak iz miktardaki markır seviyelerinin ölçülmesi gerekmektedir. Bu sebeplerle, bu tezde nanopartiküllerle modifiye edilmiş yeni bir kapasitif sensor geliştirilmiş ve eş zamanlı-çoklu marker teşhisi amacıyla kullanılmıştır. Elde edilen bulgular varolan methodlara alternatif ve etkili ölçüm yöntemleri sunmakta, ve ayrıca çoklu markır teşhisi kullanılarak kanser tiplerinin kesin ayrımında ümit vadedici bir gelecek oluşturmaktadır. Bu tezde geliştirilen ve iyileştirilen metodlar/ sensörler insan vücudunda biyomarkırı olan diğer hastalıkların tanısında da uygulanabilir.

The detection and quantification of cancer biomarkers in human blood is crucial to diagnose patients in the early stage of a disease. The recent advances in biosensor technology can improve detection by reducing the application time and cost without an invasive approach. The development of such detection system is a major thrust of the rapidly growing bionanotechnology industry. It involves a multidisciplinary research effort including chemical engineering, microelectronics and biology.This study focused on the development of nanomaterial-modified sensing platform to enhance the sensitivity for cancer marker detection. An electrochemical-based capacitive biosensor was aimed to develop using two alternative nanomaterial modification including gold nanoparticles (Au-NPs) and magnetic beads (MBs) in cancer detection for the first time. SPR and QCM-based sensors were initially employed to verify the bioassays and the surface chemistries. The successful achievement of these research works was transferred into an electrochemical based-capacitive biosensor to increase the sensitivity and reliability of the assays for the quantification of the biological markers. The optimized sensor methods were conducted in the capacitive sensor using standard methodologies and the detection limit was increased 6 fold without a signal amplification tool. However, the quantification of some biomarkers is difficult since they have trace threshold level in human blood and/or small size. Moreover, real patient samples include various biological molecules beside the target analyte and this makes the detection difficult due to the non-specific responses and require the signal amplification. Due to these reasons, a novel nanoparticle modified capacitive sensor was developed and used for synchronous multiple marker detection. The results have provided alternative and effective quantification approaches to the current tools; and also a promising future for precise detection of the cancer types using multiple marker assays. The developed and improved methodologies/sensors in this thesis can also be applied for the other diseases that have biomarkers in human body.