Çip Üstü Organ Platformunda Manyetik Olarak Kaldırılmış Sferoidlerle Hastalık Modellemesi

Abstract

İki boyutlu (2B) hücre kültürleri, hücre-hücre ve hücre-ekstraselüler matriks etkileşimlerinden yoksun olmaları nedeniyle klinik ve ilaç araştırmalarında üç boyutlu (3B) kültürlerin gerisinde kalmaktadır. Sferoitler, 3B kültürlerin önemli bir alt grubunu oluşturur; ancak geleneksel sferoit üretim yöntemleri genellikle düşük verimlilik ve yüksek iş gücü gereksinimi gibi dezavantajlar taşır. Mikroakışkan teknolojiler ise bu sınırlamaları aşarak yüksek kontrol edilebilirlik ve verimlilik sunar. Hastalık modelleme çalışmaları, hastalık mekanizmalarının biyolojik düzeyde anlaşılması ve ilaç etkilerinin doğru biçimde değerlendirilmesi açısından kritik öneme sahiptir. Mikrofabrikasyon tekniklerindeki gelişmelerle ortaya çıkan çip üstü organ platformları, kişiye özgü hastalık modelleri oluşturarak daha doğru ve etkili tedavi stratejilerinin geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Manyetik levitasyon (MagLev) yöntemi, hücreleri etiket gerektirmeden yalnızca yoğunluklarına göre manipüle edebilme avantajı sunar. Bu tez kapsamında, hastalık modelleme uygulamalarına yönelik olarak MagLev ile entegre bir mikroakışkan sistem geliştirilmiştir. İlk aşamada, mikroakışkan kanallarda rahatlıkla kullanılabilecek boyutlarda sferoit üretimi, asılı damla (hanging drop) yöntemiyle dört farklı hücre hattı için optimize edilmiştir. Ardından, çip üstü organ platformunun tasarımı için gerekli manyetik simülasyonlar gerçekleştirilmiş, mikrofabrikasyon süreçleri tamamlanmış ve akış parametreleri optimize edilmiş, sferoitlerin MagLev ortamındaki davranışları incelenmiştir. Ek olarak, hücrelerin intravenöz sıvı ortamlara verdiği tepkiler MagLev ortamında tek hücre düzeyinde analiz edilmiş, kanser hücrelerinin ve canlı/ölü hücre popülasyonlarının yüksek verimlilikle ayrıştırılmasını sağlayan MagLev tabanlı bir mikroakışkan sistem geliştirilmiştir. Böylece, geliştirilen platformun hem temel araştırmalarda hem de hastalık modelleme ve ilaç çalışmalarında kullanılabilirliği ortaya konmuştur.Two-dimensional (2D) cell cultures lack cell-cell and cell-extracellular matrix interactions and therefore fall behind three-dimensional (3D) cultures in clinical and drug-development studies. Spheroids constitute a key subgroup of 3D cultures, yet conventional spheroid-generation methods often suffer from low efficiency and high labor demands. Microfluidic technologies overcome these limitations by offering substantially controllable and high-throughput systems. Disease-modeling studies are crucial for elucidating disease mechanisms at the biological level and for accurately assessing the effects of drugs. With advances in microfabrication, organ-on-a-chip platforms now enable patient-specific disease models, paving the way for more precise and effective therapeutic strategies. Magnetic levitation (MagLev) offers a label-free method for manipulating cells based solely on their density. In this thesis, a microfluidic system integrated with MagLev was developed for disease-modeling applications. First, dimensions of spheroids compatible with microfluidic channels were optimized for four different cell lines using the hanging-drop method. Subsequently, the magnetic simulations, microfabrication processes, and flow parameters required for the organ-on-a-chip device were completed, and the behavior of spheroids within the MagLev environment was characterized. In addition, single-cell responses to various intravenous fluid media were analyzed using MagLev, and a MagLev-based microfluidic platform was established to sort both live and dead cell populations efficiently. Collectively, these efforts demonstrate that the developed platform is suitable for both fundamental research and disease modeling, as well as drug studies.