Yapay zekadan makale özeti
- Kısa
- Ayrıntılı
- Bu video, Gebze Teknik Üniversitesi Biyo-Mühendislik Bölümü'nün webinar serisinin 30. webinarıdır. İzmir Biyot ve Genom Merkezi'nden Dr. Arif Engin Çetin, Boston Üniversitesi'nde doktora yapmış ve şu anda araştırma grup lideri olarak çalışmaktadır.
- Sunumda plazmaik sistemler ve nano biyosensor uygulamaları detaylı olarak ele alınmaktadır. Dr. Çetin, biyosensörlerin tanımını yaparak başlayıp, plazmonik teknolojisinin çalışma prensibini açıklamakta, laboratuvarında geliştirilen optik nano-geçirgenlik sensör sisteminin teknik özelliklerini ve uygulamalarını anlatmaktadır. Sunum, taşınabilir plazmonik sensör sisteminin yapısı, hücre ağırlığı ölçüm sistemi ve kanser tedavisinde kişiselleştirilmiş tedavi yaklaşımlarının önemi gibi konuları içermektedir.
- Sunumda ayrıca, pahalı ticari sistemlere yakın performans gösteren taşınabilir bir plazmonik sensör sisteminin LED ışık kaynağı, CMOS kamera ve plazma çipi gibi bileşenlerden oluştuğu, DNA sekanslama ve hücrelerin ağırlık ölçümü gibi ileri uygulamaları gösterilmektedir. Video, spektral kayma teknolojisi ve sensörün hassasiyetini artırmak için yapılan çalışmalar hakkında soru-cevap bölümüyle sonlanmaktadır.
- 00:01Sunum Tanıtımı
- Gebze Teknik Üniversitesi Biyo-Mühendislik Bölümü webinar serisinde İzmir Biyot ve Genom Merkezi'nden Dr. Arif Engin Çetin, "Plazmaik Sistemler ile Nano Biyosensor Uygulamaları" başlıklı sunum yapacak.
- Dr. Arif Engin Çetin, Koç Üniversitesi'nden lisans ve yüksek lisans, Boston Üniversitesi'nden doktora derecesi almış, 2013-2014 yılları arasında EFL ve 2014-2016 yılları arasında MIT'de doktora sonrası araştırmacı olarak çalışmış, 2016-2018 yılları arasında San Diego'daki Omniom şirketinde mühendis olarak çalışmış ve 2018 yılından beri İzmir Biyot ve Genom Merkezi'nde araştırma grup lideri olarak görev yapmaktadır.
- 01:30İzmir Biyot ve Genom Merkezi Hakkında
- İzmir Biyot ve Genom Merkezi, TÜBİTAK'a bağlı bir araştırma merkezi olup Dokuz Eylül Üniversitesi Sağlık Kampüsü'nde bulunmaktadır.
- Merkezde birçok akademisyen çalışmakta ve araştırmalarını burada devam ettirmektedir.
- Grup, biyosensör uygulamaları üzerine çalışmalar yapmakta olup bu sistemler nanoteknoloji tabanlı platformlar üzerine kuruludur.
- 02:12Biyosensörlerin Tanımı ve Yapısı
- Biyosensör, biyolojik yanıtları analitik sinyal anlamlı analitik sinyallere çeviren aygıtlardır.
- Biyosensör sistemleri üç ana yapıdan oluşur: biyo-reseptörler (algılayıcı moleküller), transistler (dönüştürücüler) ve amplifier'lar (yükselticiler).
- Biyo-reseptörler, tanımlamak istediğiniz molekülleri yüksek affilite gösteren biyomoleküllerdir ve nükleik asit, protein, antikor veya hücre olabilir.
- Transistler, biyo-reseptörlerle analikleri arasındaki etkileşimi anlamlı sinyallere çeviren cihazlardır ve bu sinyalleri elektrik, optik, ışık ve sıcaklık gibi farklı sinyallere çevirebilirler.
- Amplifier'lar, cihazdan gelen sinyali anlamlı biyosensör sinyaline çeviren aygıtlardır.
- 04:20Biyosensörlerin Kullanım Alanları ve Plazmonik
- Biyosensör sistemlerine gereksinim duyulmasının en önemli nedenleri public and global health (hızlı hastalık tanısı koyabilecek sistemlere ihtiyaç), ulusal güvenlik ve temel biyoloji-farmakoloji çalışmalarıdır.
- Plazmonik, optik bir alt dalıdır ve yüzeyde metal yüzeylerinde hapsolmuş güçlü ışık dalgalı veya yüzey elektromanyetik dalgalar olarak tanımlanır.
- Plazmonik sistemlerde, nanometrik büyüklüklerde nano açıklık geometreleri kullanılır ve bu geometrilerin optik yanıtları çok hassastır.
- Bu sistemler optik filtre gibi davranır, belirli dalga boylarını ışığı geçirirken diğer dalga boylarını geçirmez.
- Biyolojik analizler yüzeye yapıştığında optik yanıt değişir ve bu değişim spektrometreli okunarak hangi analitin yakalandığı belirlenir.
- 06:41Plazmonik Sistemlerin Uygulamaları
- Plazmonik sistemlerde, virüslerin yakalanması için yüzey protein E ile kaplanır ve bu protein virüs antiko'nun FC bölgesine afinite gösterir.
- Antikor yüzeye yapıştığında Y şeklinde kalır ve virüslerin bağlandığı bölgeler açıkta kalır, böylece virüsler yüzeyde yakalanır.
- Elektron mikroskobunda yakalanmış virüsler görülebilir ve spektrometride maviden kırmızıya doğru bir kayma olarak virüslerin varlığı belirlenir.
- Bu sistemde ilk defa aynı anda iki farklı bakterinin testi yapılabildi, bu da PLC ile yapılan ve çok pahalı olan testlerin yerini aldı.
- Üç kanallı bir sistem kullanılarak, bir bakteri, ikinci bakteri ve kontrol antikoru için ayrı sensör bölgeleri oluşturuldu.
- Sağlıklı bir kişiye ait idrar örneğinde optik yanıtta herhangi bir değişim görülmezken, sadece klamidya veya niceria varsa ilgili sensörde optik değişim görülür, her iki bakteri de varsa her iki bakteriyi affinite gösteren antikorun bulunduğu sensörde değişim varken kontrolde değişim bulunmaz.
- 09:47Surface Plazma Rezonans Sistemi
- Plazmonik sistemlerin ilk ticarileşmiş hali surface plazma rezonans sistemidir ve farmakolojide protein bağlama kinetikleri ve hedef ilaç moleküllerinin çalışılması sırasında çok kullanılır.
- Bu sistem hem kendisi hem kullanılan aparatları hem de maintenance'ı pahalı olan bir cihazdır.
- Cihazın pahalı olmasının sebebi teknik olarak challengeing bir optik şekilde dizayn edilmesidir.
- Sistemde ışık kaynağı prizmaya gönderilir, plazma dalgaları yüzeyde yaratılır ve bu dalgaların iki analitik ligand arasındaki bağlanmayı nasıl değiştirdiğini takip ederek gerçek zamanda bağlanma dinamik grafik çizilir.
- Optik okumayı kolaylaştırmak için, ışık kaynağının belirli bir açıda gelmesi yerine düz bir şekilde gelebilmesi ve açıya bağımsız olarak gelebilmesi sağlanmıştır.
- 11:27Hassasiyet ve Konsantrasyon Limitlerinin Artırılması
- Farklı data işleme ve post-processing yöntemleriyle SPR sistemlerine yakın konsantrasyon limit of detection ve hassasiyet limitlerine ulaşılabilmektedir.
- Klasik sistemlerde optik yanıtın maksimum noktası spektrometre ile takip edilirken, birçok noktadaki spektral kaymayı kümülatif değerlendiren bir yöntem kullanılarak 0,20 nanogram per mililitre hassasiyet limitine ulaşılmıştır.
- Bu plazmaik sistemle mikro akışkan sistemleri birleştirerek protein moleküllerinin arasındaki bağlanma dinamikleri incelenebilmekte ve 0,70 nanogram mililitre gibi düşük protein konsantrasyonlarında bile protein bağlama dinamikleri ölçülebilmektedir.
- 13:10Kamera ve Işık Kaynağı Kullanımı
- Hassas ölçümler yapılabilmesine rağmen, farklı sensör noktalarını tek tek incelemek gerekliliği spektrometreli verimi düşürmektedir.
- Verimi yükseltmek için spektrometre yerine kamera ve kameraya uygun ışık kaynağı kullanılarak aynı anda birçok analinin bağlanması gösterilebilmektedir.
- Işık kaynağı, nano açıklık geometrisinin geçirgenlik yanıtıyla spectra olarak örtüşsün su içinde ama havada örtüşmesin şekilde tasarlanmıştır.
- 13:56Kamera Sisteminin Çalışma Prensibi
- Mikro akışkan devresinde nano açıklık geometrisinin tam üstünde iki kanallı bir mikro akışkan sistemi bulunmaktadır.
- Bir kanaldan su enjekte edildiğinde, suyun enjekte edildiği noktada optik olarak ışık kaynağı ve nano açıklığın spektral yanıt örtüştüğü için kameraya yüksek miktarda ışık ulaşabilmektedir.
- Havada ise çok düşük miktarda foton ulaştığı için kamera siyah görüntü gösterirken, suyun olduğu noktada çok yüksek genlikte ışık görülmektedir.
- 14:37Protein Bağlanma Dinamikleri
- Var yok sensörü gibi kullanılabilen bu sistemde, yüzeyde protein bulunmadığında ışık kaynağı ile optik yanıt örtüşürken, protein yüzeyde varken ışık kaynağı ile örtüşmez.
- Işık kaynağının yüksek dalga boylarına kaydırıldığında, yüzeyde protein yapıştıkça ışık kaynağı ve çipin yanıtı örtüşmeye başlar ve ışık miktarı artar.
- Kameralı sistem sayesinde aynı anda onlarca test tek bir çip üzerinde yapılabilmekte, bu da trueputumu ve verimi artırmaktadır.
- 16:45Bağlanma Dinamikleri ve Optik Yanıt
- Kameralı sistem mikro akışkan devreye entegre edildiğinde proteinlerin arasındaki bağlama dinamikleri incelenebilmektedir.
- Bağlanma dinamikleri iki fazdan oluşur: ilk fazda yüzeyde ligant bulunur, ikinci fazda solüsyon geçirildiğinde ligand ve analit bağlanarak kompleks oluşturur.
- Optik nano-geçirgenlik nano-açıklık geometrisinin optik yanıtı bağlanma dinamikleri sabitlerini expancial olarak bağlı olarak değişmektedir.
- 18:11Kamera Sisteminin Performansı
- Klasik spektrometreye bağlı sistem ile kameraya bağlı sistem arasında exponancial sabitler birbirine çok yakın olmaktadır.
- Kameraya bağlı sistemle de spektral okuma aynı hassasiyette veya çok yakın bir hassasiyetle yapılabilmektedir.
- Kamerada okunan exponancial değişimdeki intensitelerde, yüzeyde protein molekülü bağlandıkça intensitenin exponancial bir artış gösterdiği görülmektedir.
- 19:29Taşınabilir Protein Bağlama Sistemi
- Yüksek çıktılı sistemde kamera, ışık filtresi, ışık kaynağı ve mikroskop bulunurken, yeni sistemde düşük maliyetli LED ışık kaynağı ve CMOS kamera kullanılıyor.
- Sistemde plazma için sandviç edilmiş bir yapı bulunuyor ve yüzeydeki bağlanma durumunda ışık kaynağında değişim gözlemleniyor.
- Mavi LED ışık kaynağı ve siyah optik yanıt kullanılarak, optik yanıtın yüksek dalga boylarına kaymasıyla LED ışık kaynağıyla spektral olarak örtüşmesi ve yüzeyde ışık değişimi gözlemleniyor.
- 20:34Sistemin Avantajları
- Bu sistem sayesinde farklı biyo molekülleri aynı anda test edilebiliyor ve taşınabilir bir platformda kullanılabiliyor.
- Sensörlerde BSA protein ve IGG protein test edilebiliyor, spektral kaymaların değişiminden ışık genliği bilgisi elde edilerek iki protein birbirinden ayrılabiliyor.
- Sistem küçük bir mikro akışkan sistemiyle entegre edilebiliyor ve gerçek zamanlı protein bağlama dinamiklerine bakılabiliyor.
- 21:33Taşınabilir Platformun Performansı
- Taşınabilir platform ticari SBR sistemlerine yakın exponancial content'lar veriyor ve pahalı sistemlere yakın değer sunuyor.
- SBR'da sadece bir noktadan veri alınırken, taşınabilir platformda aynı çip üzerinde yüzlerce kez test tekrarlanabiliyor.
- Üç farklı test aynı çip üzerinde üç defa tekrarlanarak test güvenilirliği sağlanıyor.
- 22:36Sistem Yapısı ve Çalışma Prensibi
- Sistem iki ana parçadan oluşuyor: taşınabilir sensör sistemi ve plazma çipi.
- Plazma çipin üzerinde kontrol ve virüslerin bağlandığı iki farklı bölge bulunuyor.
- Örnek hazırlama kiti yüzeyi kontrol ve sensör olarak iki farklı bölmeye ayırıyor, kontrol bölgesinde hiçbir şey yokken sensör bölgesinde H1N1 virüsüne afinite gösteren antikorlar bulunuyor.
- 23:17Sistem Montajı ve Çalışma Mekanizması
- Örnek hazırlama kiti iki PDMS parçadan oluşuyor ve bu parçaların alt tarafına plazma çipi yerleştiriliyor.
- Üst tarafındaki boşluktan pipetle biyo-moleküller damlatılıyor ve kameranın yarısının antikorların olduğu bölge, yarısının hiçbir şey olmayan bölge olduğu görülüyor.
- Virüs örnekleri pipetlenerek inkibe ediliyor ve yüzeyde virüs varken diğer yüzeyde hiçbir şey olmuyor.
- 24:25Optik Yanıt ve Işık Değişimi
- Sistem kamera ve ışık kaynağı olmak üzere iki parçadan oluşuyor ve ışık kaynağı yüksek dalga boylarında seçiliyor.
- Nano açıklık geometrilerinin optik yanıtı virüsün yüzeye bağlanmasıyla yüksek dalga boylarına kayıyor ve ışık kaynağıyla daha çok örtüştüğü için yüzeyde ışık artışı görülüyor.
- Virüsler yüzeyde yakalandıkça nano açıklık geometrileri optik yanıtıyla daha fazla örtüşüyor ve bu da sensörde daha çok ışık görmenize sebep oluyor.
- 26:12Tanımlama Limiti ve Yazılım
- Sistemle yapılan limited of detection hesabı 10 üzeri 3 gibi bir değer veriyor, bu medikal bir cihaz olarak kullanılabileceğini gösteriyor.
- Tanımlama limiti 10 üzeri 3 olan sistem, ticari sistemlerde 10 üzeri 2, klasik sistemlerde de 10 üzeri 2 tanımlama limitine sahip.
- Sistemin yazılımı kamerayı direkt açabiliyor, sensör ve kontrol noktalarını otomatik olarak ikiye ayırıyor ve post-processing yapabiliyor.
- 27:53DNA Sekanslama ve Ağırlık Ölçümü
- Plazmonik sistemlerle DNA sekanslama yapılabilir, DNA'nın üzerindeki baz sıralamasını bulmak için kullanılan bir teknoloji.
- DNA sekanslama sisteminde nano açıklık geometrisi ve iki kanallı bir sistem kuruluyor, mikro akışkan sistemi sayesinde farklı reagent'lar yüzeye otomatize bir şekilde gönderilebiliyor.
- Plazmaik sistemle hücrelerin veya herhangi bir biyolojik varlığın ağırlığını ölçebilir veya ağırlıklarındaki değişimi optik bir şekilde ölçebiliriz.
- 30:28Hücrelerin Ağırlık Değişimi ve Bölünme Süreci
- Hücreler belirli bir cycle etrafında ağırlıkları artarak belirli bir hacme geldiklerinde bölünmeye başlarlar.
- Hücrelerin ağırlığı belirli zaman aralıklarında artabilir veya azalabilir, bu değişimlerin dönemleri değişebilir.
- Hücrelerin ağırlık artışının eğimi kütle birikim oranı olarak tanımlanır; pozitifse hücre ağırlığı artar, negatifse ağırlık kaybeder.
- 31:40Nano-Açıklık Geometrisi ve Spektrometre Sistemi
- Nano-açıklık geometrileri kullanılarak yüzeyde yapışmış MCF hücreleri incelenir.
- Beş spektrometre kullanılarak görünür dalga boyu aralığı bölünerek 0,90 antron gibi yüksek spektral hassasiyet elde edilir.
- Hücrelerin ağırlık değişimi çok küçük olduğu için spektral değişim yerine integral değişimine bakılır.
- 32:15Hücre Ağırlığının Değişimi ve Spektral Değişim İlişkisi
- Hücrenin ağırlığı, dışarıdan içeriye çekilen biyo-moleküllerin dışarıya çıkan moleküllerden fazla olması durumunda artar.
- Hücre ağırlığı arttıkça nano açıklık geometrinin yanıtı yüksek dalga boylarına geçer, azaldığında ise optik yanıt düşer.
- Spektral değişim yerine integral değişimine bakarak, iki saat boyunca integral artışı hücrenin büyüdüğünü gösterir.
- 34:00Spektral Değişimin Kaynağı
- Yüzeydeki hücrelerin hareketi engellense bile spektral değişim gözlemlenir, bu da spektral değişimlerin tamamen hücrelerin ağırlıklarındaki değişimden kaynaklandığını gösterir.
- Ölü hücrelerde (fix formaldehite ile yüzeye yapıştırılan) hiçbir spectral değişim görülmez, bu da spektrometrenin resolutionundan kaynaklanır.
- Hücre ağırlığı arttırıyorsa pozitif integral değişimi, azalıyorsa negatif integral değişimi görülür ve bu eğim kütle birikim oranını verir.
- 35:34Kütle Birikim Oranının Map Edilmesi
- Kütle birikim oranları (EMR) her ağırlığa karşı gelen hücreye map edilir.
- Pozitif EMR değerleri kütlesi artan hücreleri, negatif EMR değerleri ise kütlesi azalan hücreleri gösterir.
- Negatif EMR değerleri hücrelerin öldüğünü göstermez, sadece on dakikalık periyotta hücrelerin ağırlığının azaldığını gösterir.
- 36:22Popülasyon Analizi ve Hücre İçindeki Süreçler
- Tek hücreye bağlı karar verilmez, birçok hücre aynı anda ölçülerek popülasyonun toplam kümülatif hücre kütle birikim davranışına bakılır.
- Büyük hücrelerin daha fazla spektral değişim yaptığı ve mitoz bölünme sırasında hücrenin ağırlığının çok arttığı gözlemlenir.
- Açlık durumunda hücrelerin bölünmesi sıfıra doğru yaklaşır, açlık kesildiğinde ise hücre kütlesi yerine growth factorları eklenince hücre tekrar büyümeye başlar.
- 37:53Kemoterapi İlaçlarının Etkisi
- Kemoterapi ilacının etkisi, hücrelerin kütle birikim davranışlarının zamanla düşmesiyle gösterilir.
- Kemoterapi ilaca rezistif direnç gösteren hücreler, çok yüksek konsantrasyonlara kadar ilaca direnç gösterebilir.
- Bu sistem kullanılarak kemoterapi ilaçlarının nasıl davrandığı belirlenebilir.
- 38:36Kişiselleştirilmiş İlaç Terapisi
- Aynı kanser hastalığına yakalanmış iki birey farklı kemoterapi ilaçlarına farklı tepki verebilir.
- Biyopsi sonucunda alınan hasta örnekleri sisteme yüklenip farklı ilaç moleküllerinin hücrelerin kütle birikim oranlarında yaptığı değişimler tanımlanarak hangi kanser ilacının hangi hastada işe yaradığı belirlenebilir.
- Klinisyen, hasta profiline göre kişiselleştirilmiş bir ilaç terapisi gösterebilir ve bu da kanser hastalarının ömürlerini uzatacak bir çözüm yolu olabilir.
- 41:29Spektral Kayma ve Sensitivite Optimizasyonu
- Spektral kayma ile biyolojik bağlamalar tespit edilir ve sinyal değişimleri gözlemlenir.
- Sensitivite artırmak için optik özelliklerin değiştirilmesi önemlidir.
- Çiplerin optik yanıtları geniş olduğundan, daha dar spektral aralıklar ve uygun ışık kaynakları kullanılması daha hassas ölçümler sağlar.
- 43:01Sensitivite Artırma Yöntemleri
- Dipo optik sistemlerden fano rezonans sağlayan sistemlere geçiş, daha dar spektral aralıklar tasarlamayı sağlar.
- Bant aralığını 40 nanometreden 30 nanometreye değiştirmek, sensitivity'ı lineer değil exponential olarak birkaç kat artırabilir.
- Plazmonik tarafta daha iyi sensitivity artışı sağlanabilir, ayrıca optik okumada daha iyi kamera seçimi veya birden fazla ışık kaynağı kullanılabilir.
- 44:47Nano Parçacıkların Sensör Uygulamasında Kullanımı
- Nano parçacıklara analitler tag edilerek yüzeye gönderildiğinde sensitivity artar çünkü daha güçlü yüzey plazma exate edilir.
- Partiküller yüzeye yapıştıkça nanogb formationları oluşur ve sensitivity artar.
- Yüzeydeki antikorları altına tag edip analitleri normal göndermek de bir çözüm yolu olabilir.
- 46:05Toplantının Sonu
- Konuşmacı, istenmeyen toplantılar nedeniyle hızlı anlatmak zorunda kaldığını belirtiyor.
- Daha detaylı anlatımlar için başka zamanlarda fırsat olacağını umduğunu ifade ediyor.