Development of a Lab-on-Chip system for serum exosome isolation and drug loading to be used in the treatment of cancer patients


Çevik Ö.(Executive), Özçelik A., Gümüş E., Akkoyun F., Demirbolat G. M., Erdoğan Ö.

TUBITAK Project, 2022 - 2024

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: April 2022
  • End Date: October 2024

Project Abstract

Proje Özeti

Eksozomlar, bir hücrenin ekstrasellüler vezikülleri tarafından salgılanan, çift fosfolipid tabaka ile kaplı 30-100 nm çapında olan nanokesecikleri olarak bilinir. Eksozomlar doğal lipozomlar olarak da adlandırılmaktadır. Kanda, idrarda, amniyotik sıvıda, anne sütünde, serum, plazma gibi bütün vücut sıvılarında bulunurlar. İçlerinde proteinler, lipitler, mRNA’lar, miRNA’lar, lncRNA’lar ve DNA fragmentleri gibi birçok biyomolekül taşırlar. Eksozomların içeriği hem hücreden hücreye hem de hücrenin çeşitli uyaranlara karşı verdiği cevaplara göre değişiklik göstermektedir. Bununla birlikte farklı hücre kökenli eksozomlar belirli ortak proteinleri ifade etmektedir. Bu proteinler arasında CD9, CD37, CD53, CD63, CD81 ve CD82 olarak adlandırılan tetraspanin molekülleri yeralmaktadır.Serum yapısında makromoleküller içerdiği gibi bu tetraspanin içeren eksozomlar açısından da zengindir, genellikle serum eksozomları biyobelirteç çalışmaları için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Bu projede eksozomların doğal bir taşıyıcı özellikleri göz önüne alınarak serumdan izolasyonları ile birlikte ilaç yüklemeyi de aynı anda yapabilecek bir çip üzerinde laboratuvar olarak adlandırılan lab-on-chip (LOC) sistemi geliştirilecektir. Projede serumdan eksozom ayrıştırılmasını akustoforez etki ile yapacak ve labirent bir mikrokanal mimarisine sahip elektroporasyon modülü oluşturulacaktır. Bu modül içerisinde eksozomlara istenilen ilaç yüklemelerinin yapılabilmesinin tasarımı planlanmıştır. Projede LOC sistemi için ilk bileşen Lityum niyobat üzerine elektrot fabrikasyon işlemi yapılarak üzerine pozitif bir fotopolimer spin-kaplama yöntemi ile krom ve altın tüm altlık yüzeyine kaplanacaktır. İkinci bileşen için, PDMS mikroakışkan kanallar yumuşak litografi yöntemi ile hazırlanacaktır. Litografi işleminde silisyum bir altlık üzerine iyon aşındırma ile kalıp hazırlanarak PDMS elastomer polimeri ile mikrokanal mimarilerini yapılacaktır. Daha sonra PDMS mikroakışkan kanallar lityum niyobat üzerine yerleştirilerek akustik modülü gerçekleştirilerek elektroporasyon bölümü oluşturulacaktır. Sistemin son kısmında ilaç yüklü eksozomların ayrılması için akustik dalgalar ile taşıyıcı bir ortama aktarılarak ilaç yüklü eksozomlar elde edilecektir.

Projede insan serumlarından izole edilen eksozomlar boyut ve miktar açısından (zetasizer, TEM ve verimlilik ile) karakterize edilecek ve aynı zamanda CD9, CD63, CD81 ile kontrol edilecektir. İzole edilen eksozomlara kanser tedavisinde kullanılan Paclitaxel (PAC) elektroporasyon ile yüklenerek terapötik olarak kullanılmaları ile ilgili hücrelerde in vitro çalışmalar yapılacaktır. Yüklü eksozomların sitotoksisitesi, hücreler içerisine girişi, terapötik olarak hücre ölümleri üzerine etkisi ile yüklü eksozomlardan aktarılan PAC miktarı gibi moleküler çalışmalar yapılarak eksozomların in vitro hücreler üzerindeki etkisi tespit edilecektir. LOC sistemi ön aşamalar ve denemeler öncelikle meme kanser hücrelerinde yapılacak, daha sonra insan numunelerinden alınan örnekler ile meme kanser hücrelerinde etkinlikleri ölçülecektir. Kanser terapisi için üçlü negatif reseptör olan (ER-/PR-/HER2-) meme kanser hücreleri MDA-MB-231 ve normal meme hücreleri MCF-10A seçilmiştir. Bu proje önerisi multidisipliner bir araştırma olup tıp, mühendislik, eczacılık alanlarından araştırmacıların bir araya geldiği bir çalışma ekibini oluşturmaktadır. Projede hedeflenen sistemin tasarımı gelecekte sadece ilaç yüklemeleri değil aşı, gen terapi, faj gibi çalışma konularında yeni modüllerin geliştirilmesini sağlayacaktır. Proje önerisinde kişinin kendi serumu kullanılarak izole edilen eksozomların fonskiyonel hale getirilerek yine kendisi için kullanılabilecek bir sistem haline gelmesi pek çok alanda hayat kurtarabilir. Kemoterapi alan kanser hastalarındaki ilaç direncinden aşıların vücutta taşıyıcı sisteme yüklenmesine kadar geniş ölçüde Lab-on-Chip sisteminin destek sağlayacağı bu proje önerisi ile gerçekleştirilebilir.

Bu proje önerisinde 11. Kalkınma planı içerisinde yer alan 2.2.1.2.2. bölümünde “364.Biyoteknolojik ilaçlar gibi yüksek teknoloji gerektiren alanlar başta olmak üzere Ar-Ge, üretim, nitelikli insan kaynağı ve mevzuat konularında ülkemizde gerekli ekosistem oluşturulması” alanı içerisinde önemli katkılar sunacak ve bu alandaki iş birlikleri içerisinde yerini alacaktır. Özellikle yenilikçi bir terapötik modelin in vitro kanser deneylerinde test edilerek klinikler için katma değer sağlayacak bilginin ve ürünün oluşturulması, sadece ülkemizde değil başka ülkelerde de kullanılacak olan yeni bir yaklaşım geliştirmek bu projenin sağlayacağı yaygın etkiler arasındadır.