Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı
A microfluidic system for dielectrophoretic characterization of cancer cells
Kanser hücrelerinin dielektroforetik karakterizasyonu için mikroakışkan sistem
Kaan Sel - 2018Teze Git (tez.yok.gov.tr)
Özet:
Dielectrophoresis (DEP) is a promising cell manipulation approach for early diagnosis of cancer, which significantly increases chances of successful treatment. Compared to other cell manipulation techniques that rely on surface antigens, DEP systems enable label-free, cost-effective, simply-implementable cell characterization and separation. However, separation efficiency of the DEP based systems is limited and still far from meeting the medical requirements for early cancer detection. In order to improve the throughput of current DEP systems, it is important to obtain the optimum operating conditions. The main objective of this thesis is to conduct accurate dielectrophoretic characterization of cancer cells without ascertaining cell dielectric properties at different operating conditions in autonomous fashion. The presented system integrates a microfluidic DEP device with a CMOS image sensor, and a portable signal generator. The system enables DEP spectra analysis of cells in a wide frequency band (30 kHz to 50 MHz). The microfluidic DEP device, contains optimized electrode structures that can generate isomotive electric-field inside the analysis region. Hence, cell motion under the DEP force can directly be related to its dielectrophoretic behaviour. In addition, post-processing can be done either in a custom-developed MATLAB GUI or in a custom-developed Android software connected to a smartphone using an automated cell tracking algorithm. With the DEP characterization device presented in this thesis, different conditions (operating frequency, medium characteristics) can be tested in a portable, autonomous and rigorous fashion to find the optimum case for cell separation. The system was tested with both MFC-7 (Human Breast Adenocarcinoma) and K562 (Human Chronic Myeloid Leukemia) cells due to availability. The results display consistency with the DEP spectrum studies conducted with these two cell groups in the literature.
Summary:
Dielektroforez (DEF), kanserin erken teşhisinde kullanılabilecek umut verici bir hücre manipülasyon yaklaşımı sunmaktadır. Yüzey antijenlerine dayanan ve düşük seçiciliğe sahip diğer manipülasyon metotlarından farklı olarak, DEF sistemler etiketsiz, düşük maliyetli ve kolayca uygulanabilir bir hücre karakterizasyonu ve ayrıştırmasını mümkün kılar. Ancak, günümüzde kullanılan DEF tabanlı sistemlerin ayrıştırma başarısı kanserin erken teşhisi için gerekli tıbbi şartları karşılamaktan uzaktır. Mevcut DEF sistemlerinin verimliliğini arttırmak için, optimum çalışma koşullarını elde etmek önemlidir. Bu tezin ana amacı, farklı çalışma koşullarında kanser hücrelerinin dielektroforetik karakterizasyonunu, herhangi bir dielektrik hücre değerini kullanmadan, otonom bir şekilde gerçekleştirebilmektir. Tez kapsamında sunulan sistemin nihai versiyonu, CMOS görüntü sensörü, portatif sinyal üretici ve mikro-akışkan DEF cihazını birleştirir. Sistem, geniş bir frekans bandında (30 kHz ile 50 MHz arası) hücrelerin DEF spektrum analizini mümkün kılar. Mikro-akışkan DEF cihazı, aktif analiz bölgesi içerisinde izomotif elektrik alanı oluşturma yeteneğine sahip, özel tasarım elektrot yapıları içermektedir. Bu sayede, DEF kuvveti etkisi altındaki hücre hareketi doğrudan hücrenin dielektroforetik davranışı ile ilişkilendirilebilir. Testlerde elde edilen kayıtların işlenmesi, otomatik hücre takip algoritması kullanan özel geliştirilmiş MATLAB GUI üzerinde ve akıllı telefona bağlanarak kullanılabilen Android yazılımda yapılabilmektedir. Bu tez kapsamında sunulan DEF karakterizasyon cihazı ile, farklı koşullar hücre ayrıştırması için gerekli optimum koşulları bulmak amacı için, otonom ve titiz bir şekilde test edilebilir. Sistemin performans ve hassasiyet ölçümleri MCF-7 (insan meme adenokarsinomu) ve K562 (insan kronik miyeloid lösemi) hücreleri üzerinde yapışmıştır. Elde edilen sonuçlar, literatürde bu iki hücre grubu hakkında yer alan DEF spektrum çalışmaları ile uyum göstermektedir.