Development of Optical Sensor Platforms for Exosome Detection

Abstract

Bu tez, eksozom tespiti için optik sensör platformlarının kullanılması yoluyla kanserin erken teşhisi ve izlenmesi için yeni bir yaklaşım önermektedir. Kanser prognozu, teşhisi ve izlenmesine yönelik mevcut teknolojiler, özellikle erken evrelerdeki etkinlikleri ve invazivlikleri açısından önemli sınırlamalarla karşı karşıyadır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için bu çalışma, iyi tanımlanmış membran protein profili nedeniyle Küçük Hücreli Dışı Akciğer Kanserine (NSCLC) vurgu yaparak, kanserli ekzozomal membran proteinlerini tespit edebilen gelecekteki sıvı biyopsi uygulamaları için biyosensör platformları geliştirmeye odaklanmaktadır. Araştırma, lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) ve manyetik kaldırma (MagLev) prensiplerini kullanan iki optik biyosensör platformunun üretimini, optimizasyonunu ve karakterizasyonunu içermektedir. Biyosensör platformları başlangıçta bir model protein olan Bovine Serum Albumin (BSA) ve sonrasında EpCAM, CD151 ve CD81 Eksozomal Membran Proteinleri (ExoMP'ler) ile test edilmiştir. Bu Sırasıyla eksozomal kanser biyobelirteçleri, eksozomal NSCLC biyobelirteçleri ve eksozomal biyobelirteçler olarak yaygın şekilde kullanıldıkları için bu ExoMP'ler hedef olarak seçilmiştir. A549 NSCLC ve MRC5 sağlıklı akciğer fibroblast hücre hatları, geliştirilen optik biyosensör platformlarının eksozom algılama, tanıma ve miktar belirleme yeteneklerini analiz etmek için in-vitro eksozom kaynakları olarak kullanılmıştır. Her iki platform da kanserden türetilen eksozomları sağlıklı eksozomlardan istatistiksel anlamlılıkla başarılı bir şekilde ayırt edebilmiştir. Genel olarak, bu araştırma, sıvı biyopsi teknikleri yoluyla erken teşhis ve izleme için umut verici bir yaklaşım sağlayarak kanser teşhisi ve kişiselleştirilmiş tıbbın ilerlemesine katkıda bulunmaktadır. Geliştirilen platformlar, daha fazla geliştirme ve araştırma ile kanser prognozu ve teşhisine katkıda bulunma potansiyeline sahiptir.This thesis proposes a novel approach for early detection and monitoring of cancer through utilization of optical sensor platforms for exosome detection. Current technologies for cancer prognosis, diagnosis, and monitoring face significant limitations, particularly in their efficiency at early stages and their invasiveness. In order to address these challenges, this study focuses on developing biosensor platforms for future liquid biopsy applications that are capable of detecting cancerous exosomal membrane proteins, with an emphasis on Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC) due to its well-defined membrane protein profile. The research involved the fabrication, optimization, and characterization of two optical biosensor platforms utilizing localized surface plasmon resonance (LSPR) and magnetic levitation (MagLev) principles. The biosensor platforms were initially tested with a model protein, Bovine Serum Albumin (BSA); and solubilized Exosomal Membrane Proteins (ExoMPs); including EpCAM, CD151, and CD81. These ExoMPs were chosen as targets hence they are widely recognized as exosomal cancer biomarkers, exosomal NSCLC biomarkers, and exosomal biomarkers, respectively. A549 NSCLC and MRC5 healthy lung fibroblast cell lines were utilized as sources of in-vitro exosomes for testing the exosome detection, recognition, and quantification capabilities of the developed optical biosensor platforms. Both platforms were able to successfully distinguish cancer derived exosomes from the healthy exosomes with statistical significance. Overall, this research contributes to advancement of cancer diagnostics and personalized medicine by providing a promising approach for early detection and monitoring through liquid biopsy techniques. The developed platforms have the potential to contribute to cancer prognosis and diagnosis with further development and investigation.