Hücre canlılık tespiti için iletim hattı tabanlı biyosensör tasarımı ve uygulaması

Tez çalışmasında, kanser hücre kültürlerinde sitotoksisite tespiti için kullanılan geleneksel biyolojik yöntemlere alternatif olabilecek, hızlı, tekrarlanabilir, işaretsiz ve non-invaziv bir ölçüm yöntemi geliştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, mikrodalga frekanslarında çalışan metamalzeme tabanlı bir Ayrık Halka Rezonatör (Split Ring Resonator-SRR) biyosensör sistemi tasarlamak, üretmek ve hücre canlılığı değişimlerini elektromanyetik parametreler üzerinden izleyebilmek ve sensör etkinliğini geleneksel yöntemler ile doğrulamaktır. Araştırmada, PANC-1 ve BxPC-3 pankreas kanseri hücre hatları seçilmiş ve Quercetin sitotoksik ajanının farklı dozlarda (10, 100, 500, 1000 µg/ml) ve farklı inkübasyon sürelerinde (24, 48, 72 saat) uygulandığı kültürlerde sitotoksik etkinin ölçümü hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, koaksiyel prob ve Vektör Ağ Analizörü kullanılarak hücre süspansiyonlarının 1–20 GHz aralığındaki dielektrik özellikleri belirlenmiş, canlı hücre yoğunluğundaki azalmaya paralel olarak dielektrik sabitinin (ε′) sistematik biçimde düştüğü saptanmıştır. Bu ilişki, hücre membranlarının kapasitif etkisine dayanan bir biyofiziksel model ile açıklanmıştır. Elde edilen dielektrik veriler kullanılarak çift modlu (1,4 GHz ve 2,6 GHz) SRR sensör tasarlanmış, optimize edilmiş ve prototip üretilmiştir. Deneysel ölçümler sonucunda, sitotoksisite arttıkça rezonans frekansının yüksek frekansa kaydığı ve S21 iletim katsayısının genlik değerinin azaldığı gözlenmiştir. Geliştirilen sensör, canlı hücrelerin oluşturduğu kapasitif etkinin kaybını elektromanyetik düzlemde başarıyla tespit etmiştir. Sensör verileri, eşzamanlı olarak yürütülen MTT hücre canlılık testi ve mikroskopi morfoloji analizleriyle karşılaştırılmış; her iki yöntemin sonuçları arasında çok güçlü pozitif korelasyon (r = 0,951,00) belirlenmiştir. Bu bulgu, mikrodalga sensörün hücre canlılığını güvenilir biçimde yansıtabildiğini göstermektedir. Ayrıca, elde edilen S-parametre verileri sınıflandırılmış ve farklı sitotoksisite seviyeleri %96 doğruluk oranı ile otomatik olarak ayırt edilebilmiştir. Regresyon modelleri kullanılarak MTT % canlılık değerleri sensör çıktılarından doğrudan tahmin edilmiş ve R = 0,97 korelasyon katsayısına ulaşılmıştır. Geliştirilen SRR tabanlı biyosensör; MTT gibi kimyasal reaktiflere ihtiyaç duymayan, düşük maliyetli, hızlı, tekrarlanabilir, taşınabilir ve otomasyona uygun bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu tez, kanser araştırmalarında hücre canlılığının elektromanyetik tabanlı olarak izlenmesine yönelik yeni bir yaklaşım sunmakta ve gelecekte gerçek zamanlı, çoklu parametreli biyosensör platformlarının geliştirilmesine öncülük etmektedir.

In this thesis, a rapid, reproducible, label-free, and non-invasive measurement method was developed that could serve as an alternative to traditional biological methods used for cytotoxicity detection in cancer cell cultures. The primary objective of the study was to design and fabricate a metamaterial-based Split Ring Resonator (SRR) biosensor system operating at microwave frequencies, monitor cell viability changes via electromagnetic parameters, and verify sensor efficacy using conventional methods. The study selected PANC-1 and BxPC-3 pancreatic cancer cell lines and aimed to measure cytotoxic effects in cultures treated with quercetin cytotoxic agents at different doses (10, 100, 500, 1000 µg/ml) and different incubation times (24, 48, and 72 hours). In the first phase of the study, the dielectric properties of cell suspensions in the 1–20 GHz range were determined using a coaxial probe and a Vector Network Analyzer. It was determined that the dielectric constant (ε′) systematically decreased with decreasing viable cell density. This relationship was explained by a biophysical model based on the capacitive effect of cell membranes. Using the obtained dielectric data, a dual-mode (1.4 GHz and 2.6 GHz) SRR sensor was designed, optimized, and prototyped. Experimental measurements revealed that as cytotoxicity increased, the resonance frequency shifted to higher frequencies and the amplitude of the S21 transmission coefficient decreased. The developed sensor successfully detected the loss of capacitive effect generated by viable cells in the electromagnetic plane. The sensor data were compared with simultaneously conducted MTT cell viability tests and microscopy morphology analyses; a very strong positive correlation (r = 0.95–1.00) was determined between the results of both methods. This finding demonstrates that the microwave sensor can reliably reflect cell viability. Additionally, the obtained S-parameter data were classified, and different cytotoxicity levels were automatically distinguished with 96% accuracy. Using regression models, MTT% viability values were directly estimated from sensor outputs, achieving a correlation coefficient of R = 0.97. The developed SRR-based biosensor stands out as a low-cost, rapid, reproducible, portable, and automation-friendly alternative that does not require chemical reagents such as MTT. This thesis presents a new approach to electromagnetic-based cell viability monitoring in cancer research and paves the way for the development of real-time, multi-parameter biosensor platforms in the future.