Bir Meme Kanseri Biyomarkeri Olan HER3 Analizi İçin Biyosensör Sisteminin Geliştirilmesi Mehmet Çetin CANBAZ Yüksek Lisans Tezi Kimya Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK T.C. NAMIK KEMAL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ BİR MEME KANSERİ BİYOMARKERİ OLAN HER3 ANALİZİ İÇİN BİYOSENSÖR SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ Mehmet Çetin CANBAZ KİMYA ANABİLİM DALI DANIŞMAN: Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK TEKİRDAĞ-2013 Her hakkı saklıdır Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK danışmanlığında, Mehmet Çetin CANBAZ tarafından hazırlanan” Bir Meme Kanseri Biyomarkeri Olan Her3 Analizi İçin Biyosensör Sisteminin Geliştirilmesi” isimli bu çalışma aşağıdaki jüri tarafından Kimya Anabilim Dalı’nda Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Juri Başkanı : Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK İmza : Üye : Doç. Dr. Ümit GEÇGEL İmza : Üye : Yrd. Doç. Dr. İbrahim İsmet ÖZTÜRK İmza : Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu adına Prof. Dr. Fatih KONUKCU Enstitü Müdürü ÖZET Yüksek Lisans Tezi BİR MEME KANSERİ BİYOMARKERİ OLAN HER3 ANALİZİ İÇİN BİYOSENSÖR SİSTEMİNİN GELİŞTİRİLMESİ Mehmet Çetin CANBAZ Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK Bu tezde, meme kanserinin erken teşhisine yönelik bir biyosensör sistemi tasarlanmıştır. Bunun için indinyum kalay oksit (ITO) elektrot yüzeyinde 3-aminopropiltrietoksisilan (3- APTES) ile kendinden oluşan monotabaka (KOT) oluşturulmuştur. Bu yöntem ile anti-HER3’ ün yüzeye kovalent olarak bağlanması sağlanmıştır. Her bir immobilizasyon adımı ve tasarlanan biyosensörle elden edilen HER3 ölçümleri döngüsel voltametri (CV) ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Biyosensörün başarılı sonuçlar vermesi için tüm adımlar optimize edilmiştir. Anahtar kelimeler: Anti-HER3, HER3, kanser biyomarkerleri, elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS), biyosensör, ITO elektrot, 2013, 64 sayfa i ABSTRACT MSc. Thesis DEVELOPMENT OF A BIOSENSOR SYSTEM TO ANALYSIS OF A BREAST CANCER BIOMARKER HER3 Mehmet Çetin CANBAZ Namık Kemal University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Chemistry Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK In this thesis, a new biosensor system is designed for the early diagnosis of breast cancer. For this, on the surface of indiumtinoxide (ITO) electrode was formed by self assembled monolayers (SAM) with (3-aminopropyl)triethoxysilane (3-APTES). With this method, the anti-HER3 was provided to bind covalently on the surface. Immobilization steps and determination of HER3 by designed biosensor were analyzed by cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). All steps of the biosensor has been optimized to succeed results. Keywords: Anti-HER3, HER3, Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), biosensor, ITO electrode, cancer biomarkers 2013, Pages 64 ii TEŞEKKÜR Yüksek lisans çalışmalarım ve tez hazırlama sırasında bilgi ve tecrübeleriyle bana her konuda yardımcı olan danışman hocam Doç. Dr. Mustafa Kemal SEZGİNTÜRK’e, Varlıkları ile yaşama sevincim olan, maddi manevi her türlü desteği hiçbir zaman benden esirgemeyen sevgili aileme, Laboratuar çalışmalarım sırasında yardımlarını esirgemeyen, her türlü moral ve motivasyon sağlayan çalışma arkadaşlarım Çiğdem SAYIKLI ŞİMŞEK, Münteha Nur SONUÇ ve Şükran Gülden YEŞİLLER’e Sonsuz teşekkürlerimi sunarım. iii İÇİNDEKİLER ÖZET .......................................................................................................................................... i ABSTRACT .............................................................................................................................. ii TEŞEKKÜR ............................................................................................................................. iii İÇİNDEKİLER ........................................................................................................................ iv ŞEKİLLER DİZİNİ ................................................................................................................. vi TABLOLAR DİZİNİ ............................................................................................................. viii KISALTMALAR DİZİNİ ....................................................................................................... ix 1. GİRİŞ ..................................................................................................................................... 1 2. KAYNAK ÖZETLERİ ........................................................................................................ 3 2.1. Kanserin Moleküler Özellikleri ....................................................................................................... 3 2.2. Kanser Biyomarkerleri ..................................................................................................................... 5 2.3. HER3 (ErBB3) ................................................................................................................................. 8 2.4. Biyosensörler .................................................................................................................................... 9 2.5. Elektrokimyasal İmpedans Spektroskopisi .................................................................................... 13 2.6. Elektrokimyasal İmpedans Spektroskopisi’nin Temel ilkeleri ....................................................... 14 2.7. Elektrokimyasal İmpedans Spektroskopisi Temelli Biyosensörler ................................................ 17 2.7.1. Enzim temelli impedimetrik biyosensörler ................................................................................ 17 2.7.2. İmmunokimya temelli impedimetrik biyosensörler ................................................................... 20 2.7.3. Nükleik asit temelli impedimetrik biyosensörler ....................................................................... 27 2.7.4. Hücre ve mikroorganizma temelli impedimetrik biyosensörler ................................................. 30 3. MATERYAL ve YÖNTEM ............................................................................................... 34 3.1. Materyal ......................................................................................................................................... 34 3.2. Elektrokimyasal Ölçümler .............................................................................................................. 34 3.3. Ölçüm Prosedürleri ........................................................................................................................ 34 3.4. İmmobilizasyon Süreci ................................................................................................................... 35 3.4.1. PET/ITO elektrotların hazırlanması ............................................................................................ 35 3.4.2. Anti-HER3’ün ITO elektrot yüzeye kovalent olarak bağlanması ............................................... 37 4. ARAŞTIRMA BULGULARI ve TARTIŞMA ................................................................. 38 4.1. İmmobilizasyon Basamakları ......................................................................................................... 38 4.2 Optimizasyon Basamakları ............................................................................................................ 43 4.2.1. Anti-HER3 konsantrasyonunun belirlenmesi .............................................................................. 43 iv 4.2.2. HER3 konsantrasyonunun belirlenmesi ...................................................................................... 44 4.2.3. Anti-HER3 inkübasyon süresinin optimizasyonu ....................................................................... 45 4.2.4. HER3 inkübasyon süresinin optimizasyonu ................................................................................ 47 4.2.5. Tekrarlanabilirlik ......................................................................................................................... 48 4.2.6. Depo kararlılığı ........................................................................................................................... 50 4.2.7. Yapay Serum örneği .................................................................................................................... 53 5. SONUÇ ve ÖNERİLER ..................................................................................................... 55 KAYNAKLAR ........................................................................................................................ 57 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................................ 64 v ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1. Kanser kutusu .................................................................................. 5 Şekil 2.2. HER ailesi ....................................................................................... 8 Şekil 2.3. HER3 .............................................................................................. 9 Şekil 2.4. Biyosensörün işleyiş şeması.............................................................10 Şekil 2.5. Biyosensörün yapısı ve çalışma prensibi...........................................10 Şekil 2.6. Kanser teşhis biyosensörü tasarlamak için gerekli olan bileşenler. .....13 Şekil 2.7. İmpedans’ın potansiyel(zaman) ve akım(zaman) büyüklüklerine bağımlı matematiksel gösterimi .......................................................................14 Şekil 2.8. Bir elektrolitle kontakt halindeki elektroda ilişkin Randles eşdeğer devre modeli ..................................................................................................16 Şekil 2.9. Sitokrom c oksidaz’ın lipid tektabaka içinde yerleşimi ......................20 Şekil 2.10. Bir antikor ile modifiye edilmiş elektrodun, antijensiz ve antijen ilave edildikten sonra elde edilen kompleks Nyquist diyagramları ............................23 Şekil 2.11. Çok tabakalı biyolojik reseptör immobilizasyon adımlarının şematize edilmiş hali ....................................................................................................24 Şekil 2.12. Artan VEGF konsantrasyonlarına karşı elde edilen kompleks impedans spektrumlarının gösterilmesi ............................................................24 Şekil 2.13. IDE’nin SEM görüntüsü ve IDE’nin hesaplanan akım kapasitesi .....25 Şekil 2.14. Ultraince platin film immunosensörün şematik gösterimi ................26 Şekil 2.15. İki elektrot arsındaki elektriksel devre modeli ...............................31 Şekil 2.16. IDE temelli biyoçip’in kanallarının SEM görüntüsü ve bir mikro akışkanlı biyoçip’in resmi ...............................................................................33 Şekil 3.1. Hidroksil grupları oluşturulmuş ITO yüzeyinin AFM görüntüsü ........35 Şekil 3.2. Hidroksil grupları oluşturulmuş ITO elektrotun CV ve EİS ölçümü ...36 Şekil 3.3. Anti-HER3 immobilizasyonu sonrasında döngüsel voltametri (A) ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (B) ölçümleri ...................................37 Şekil 4.1. 3-APTES immobilizasyonu sonrasında ITO elektrot yüzeyinin CV (A) ve EIS (B) ölçümleri ......................................................................................39 Şekil 4.2. BSA immobilizasyonu sonrasında CV (A) ve EIS (B) ölçümleri .......40 Şekil 4.3. HER3 immobilizasyonu sonrasında CV (A) ve EIS (B) ölçümleri .....41 Şekil 4.4. Anti-HER3 ve HER3 bağlı ITO yüzeylerinin AFM görüntüsü ............42 Şekil 4.5. İmmobilizasyon basamakları ............................................................42 vi Şekil 4.6. İmmobilizasyon için uygun AntiHER3 konsantrasyonun belirlenmesi 44 Şekil 4.7. İmmobilizasyon için uygun HER3 konsantrasyonun belirlenmesi .......45 Şekil 4.8. İmmobilizasyon için uygun AntiHER3 inkübasyonun belirlenmesi ....46 Şekil 4.9. Uygun HER3 konsantrasyonun belirlenmesi .....................................47 Şekil 4.10. HER3 miktarı ile ΔRp arasındaki grafik .........................................48 Şekil 4.11. Tekrarlanabilirlik ölçümleri sonrası CV ve EİS spektrumları ...........49 Şekil 4.12. 1 haftalık raf ömrü sonunda CV ve EİS spektrumları .......................50 Şekil 4.13. 1 haftalık raf ömrü sonunda ΔRp ile eklenen HER3 miktarı arasındaki grafik .............................................................................................................51 Şekil 4.14. 3 haftalık raf ömrü sonunda ΔRp ile eklenen HER3 miktarı arasındaki grafik .............................................................................................................51 Şekil 4.15. 3 haftalık raf ömrü sonunda CV ve EİS spektrumları .......................52 Şekil 4.16. Yapay serum örneği sonrası ΔRp – HER3 arasındaki grafik .............53 Şekil 4.17. Yapay serum örneği ile alınan CV ve EİS spektrumları ...................54 vii