Magnetic Manipulation of Cells for Tissue Engineering and Diagnostic Applications

Abstract

Bu tez kapsamında, negatif magnetoferez prensibine dayalı manyetik levitasyon tekniği, iki farklı yaklaşım için kullanılmıştır. İlk olarak, manyetik levitasyon sistemi, doku iskelesiz üç boyutlu doku modelleri oluşturmak için bir biyofabrikasyon yöntemi olarak kullanılmıştır. İlk yaklaşımda, in vivo dokuyu daha iyi taklit edebilen, üç boyutlu heterojen küresel modeller geliştirmek ve iyileştirmek amaçlanmıştır. Tek halka mıknatıs tabanlı levitasyon sisteminde çeşitli konfigürasyonlarda heterojen meme kanseri küreleri elde edilmiştir. İki farklı hücre tipinin lokalizasyonunda sferoid yapı içerisindeki farklı hücre yükleme parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Ek olarak, hücre dışı matriks birikimini artırarak, manyetik levitasyon ile oluşturulan doku iskelesiz sferoid modellerin in vivo yapıyı taklit edebilme kapasitesini artırmak için makromoleküler kalabalıklaştırma yöntemi entegre edilmiştir. İkinci olarak, nörogelişimsel bozukluklarda teşhis amaçlı olarak manyetik levitasyonun kullanımı araştırılmıştır. Araştırmada, sağlıklı bireylerden ve nörogelişimsel bozukluğu olan bireylerden elde edilen fibroblastlar, sinir progenitör hücreleri ve indüklenmiş pluripotent kök hücreler arasındaki farkı belirlemek amacıyla hücrelerin özkütle profilleri analiz edilmiştir. Ayrıca, farklı tipte lizozomal depo hastalıklarının hücre özkütlesi üzerindeki etkisi fare modellerinden izole edilen primer nöroglial hücreler kullanılarak incelenmiştir. Bu tezde, hem doku mühendisliği uygulamaları hem de hücre bazlı tanı çalışmalarında hızlı, maliyet etkin ve güvenli bir yöntem olarak manyetik levitasyon tekniğinin potansiyeli gösterilmiştir.

In the context of this thesis, the magnetic levitation technique, based on the negative magnetophoresis principle, was used in two different approaches. Firstly, the magnetic levitation system was employed as a bioprinting method to create scaffold-free three-dimensional tissue models. The first approach focused on developing and improving scaffold-free heterogeneous three-dimensional spheroid models that can better resemble the in vivo tissue. Heterogenous breast cancer spheroids were obtained in the single-ring magnet-based levitation system with various conformations. The effect of different cell loading parameters on the localization of two cell types within the spheroid structure was examined. Additionally, the macromolecular crowding method was integrated to enhance the accumulation of extracellular matrix, improving the in vivo-like nature of the scaffold-free spheroid models created by magnetic levitation. Secondly, the thesis explored the use of magnetic levitation for diagnostic purposes in neurodevelopmental disorders. Investigation of the relationship between the volumetric mass density and neural pathological conditions was carried out using the fibroblasts, and the neural progenitor cells, and induced pluripotent stem cells acquired from fibroblasts isolated from patients with rare neurodevelopmental disorders and healthy subjects. Furthermore, the study investigated how the single cell density is affected in lysosomal storage diseases using primary neuroglial cells isolated from mouse models with different types of lysosomal storage disorders. In this thesis, potential of magnetic levitation as a rapid, cost-effective, and safe technique for both tissue engineering applications and cell-based diagnostic studies was demonstrated.