3 Boyutlu ve İşlevsel Beyin-Benzeri Doku Yaratıldı ve Aylarca Hayatta Tutuldu!

Biyomühendisler, sıçanlardaki beyin dokusu gibi işleyen ve yapısal benzerlikler gösteren üç boyutlu bir beyin benzeri doku yarattılar. Ayrıca, doku laboratuar koşullarında iki aydan fazla süre canlı tutulabildi. Doku, ilk olarak travma sonrası oluşan kimyasal ve elektriksel değişimleri çalışmak için kullanıldı. Ayrı bir deneyde ise ilaçlara verdiği tepki gözlemlendi. Bu dokunun hasar ve hastalıkların yanı sıra beyin fonksiyonlarının araştırmasında ve beyindeki fonksiyonel bozukluklara yeni tedaviler geliştirilebilmesi için önemli bir model olması bekleniyor.

Beyin benzeri doku Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomuhendislik Enstitüsü (NIBIB) tarafından desteklenen Boston’da bulunan Tufts Üniversitesi’nin Doku Mühendisliği Kaynak Merkezi’nde geliştirildi. Projeyi Tufts Üniversitesi Profesörlerinden, aynı zamanda Doku Mühendisliği Kaynak Merkezi’nin yöneticisi olan David Kaplan yönetti.

Nöronlar şu anda kontrol edilebilir bir ortamda davranışlarının çalışılabilmesi amacıyla petri kaplarında üretiliyor. Ancak, iki boyutlu olarak üretilen nöronlar ayrılmış bölgelerde bulunan beyaz ve gri maddeden oluşan beyin dokusunun karmaşık yapısal organizasyonunun yerini dolduramamakta. Gri madde nöronların gövde kısımlarından oluşurken, beyaz madde ise farklı nöronları birbirine bağlayan aksonları içermektedir. Beyin hasarları ve hastalıklar bu iki bölgeyi farklı şekillerde etkilediği için beyaz ve gri madde bölgelerinin ayrı olduğu bir model gerekmektedir. 

Doku mühendisleri nöronların her yönde daha kolay bağlantı kurabilmesi için nöronları üç boyutlu jel ortamlarda geliştirmeyi denediler. Ancak, bu jel bazlı doku örnekleri uzun ömürlü ve verimli olamadı. Bunun nedeni ise nöronların geliştiği bu yapay ortamda hücre büyümesini ve/veya gelişimi ve işlevlerini destekleyen farklı komşu yapılarının bulunduğu karmaşık bir hücre dışı yapının bulunmamasıydı. Kısaca, nöronların üç boyutlu olarak gelişmesi için alan sağlamak yeterli değildi.

Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayınlanan bir rapora göre bir grup biyomühendis beyaz-gri madde ayrımını yapabilen ve laboratuvar koşullarında iki aydan daha uzun süre canlı kalabilen üç boyutlu fonksiyonel beyin benzeri dokuyu başarılı bir şekilde yarattılar. Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomuhendislik Enstitüsü’ndeki Doku Mühendisliği programının yöneticiliğini yapan Dr. Rosemarie Hunziker şöyle söylüyor:

"Bu çalışma olağanüstü bir başarı oldu. Ayrıca, bu çalışma beyin fonksiyonlarını taklit etmek için gerekli ve yeterli ortamı yaratmak amacıyla derin bir beyin fizyoloji bilgisiyle geniş ve sürekli büyüyen biyomühendislik ekipmanlarını birleştirdi."

Beyin benzeri dokuyu yaratmanın anahtarı farklı fiziksel özelliklerdeki iki biyolojik malzemeyi yeni bir bileşik yapacak şekilde birleştirmekten geçiyor. Bu malzemeler ise ipek proteininden yapılmış süngerimsi bir iskele ve bu iskeleye göre daha yumuşak kolajen bazlı bir jel. İskele nöronların tutunması için gereken bir yapı olarak işlev görürken kolajen bazlı jel ise aksonların jel içinde büyümesini destekliyor.

Araştırmacılar beyaz-gri madde ayrımını sağlayabilmek için süngerimsi iskeleyi donut şeklinde kesip içine farelerden elde edilen nöronları yerleştirdi. Bunu takiben donutun ortasını ileriki aşamalarda iskelenin içine yavaş bir şekilde yayılacak olan kolajen bazlı jel ile doldurdular. Nöronlar sadece birkaç gün içerisinde iskelenin çevresindeki gözeneklerde işlevsel ağlar oluşturdu ve gönderdikleri uzun akson uzantıları ortadaki jelin içinden geçerek donutun karşı bölümündeki nöronlarla bağlantı kurdu. Sonuç olarak ayırt edilebilen beyaz madde (aksonlar) ve gri madde (sinir hücrelerin gövdelerinin yoğunlukta olduğu bölge) bölgeleri oluştu. Araştırmacılar, üç boyutlu ortamda geliştirilen nöronların sağlığını ve işlevselliğini kontrol etmek ve bu nöronları daha önceki araştırmalarda iki boyutlu ortamda veya petri kabında geliştirilen nöronlarla karşılaştırmak için haftalarca deneyler yaptılar. Bu deneylerin sonucunda üç boyutlu beyin benzeri dokuda gelişen nöronların büyüme ve işlevsellikle ilgili gen ifadelerinin daha yüksek olduğu gözlemlendi. Buna ek olarak, üç boyutlu ortamda gelişen nöronların metabolik faaliyetleri beş haftaya kadar sabit kalırken sadece jel içinde geliştirilen nöronların sağlığının yirmi dört saat içerisinde bozulmaya başladığı gözlemlendi. İşlevsel olarak bakıldığında ise, üç boyutlu beyin benzeri dokudaki nöronların elektriksel faaliyetleri ve sağlıklı bir beyinde görülen taklit sinyalleri gibi tepkiler gözlemlendi hatta bu tepkilere bir nörotoksine karşı beynin verdiği tipik bir elektrofizyolojik tepki de dahildi. 

Üç boyutlu beyin benzeri doku kemirgen beyniyle benzer fiziksel özellikler gösterdiği için araştırmacılar, dokunun travmatik beyin hasarları araştırmasında kullanılabileceği bir yol bulmaya çalıştılar. Travmatik beyin hasarını taklit etmek amacıyla doku üzerine farklı yüksekliklerden ağırlık düşürdüler. Bu simülasyonun sonucu olarak dokuda, hayvanlardaki travmatik beyin hasarına verdikleri benzer elektriksel ve kimyasal değişimler gözlendi.

Kaplan’a göre doku modeli üzerinde travmatik hasarları çalışabilmek hayvan araştırmaları için avantajlar sağlıyor çünkü şu anda yürütülen deneylerde beynin çıkarılıp parçalara ayrılması ölçümleri geciktiriyor. Kaplan şöyle söylüyor:

"Bu sistemle dokunun travmatik beyin hasarlarına verdiği tepkiyi gerçek zamanlı olarak takip edilebileceğiz. Daha önemlisi ise bu teknikle hasarın giderilmesini ve daha uzun süreçte neler olabileceğini izleme şansı elde ediyoruz."

Kaplan, farklı nörolojik bozuklukların araştırılabilmesi için beyin benzeri dokunun uzun süreli olarak canlı kalabilmesinin önemini şu sözlerle vurguluyor:

Dokunun laboratuvar koşullarında uzun süre canlı kalabilmesi bize nörolojik hastalıklara daha önce yapamadığımız farklı yöntemlerle bakma şansı verdi. Nörolojik hastalıklar çok uzun süreli zaman aralıkları gerektirdiği için kullanılan teknikler yetersiz kalmaktaydı.

Hunziker şöyle söylüyor:

Çalışma, daha gelişmiş modellerin daha derin araştırılabilecek hipotezlerin test edilmesine olanak sağlıyor. Bu model sayesinde beyindeki işlevsel bozukların tedavisinin hızlandırabileceğini, aynı zamanda normal beyin fizyolojisini de daha iyi bir şekilde araştırılabileceğini umut ediyoruz.

Kaplan ve ekibi şu anda geliştirdikleri dokuyu beyine daha çok benzetebilmek için bir yol arıyorlar. En son raporlarına göre, araştırmacılar donut iskeleyi tek merkezli altı halka şeklinde ve her biri farklı türde nöronlar içerecek şekilde modifiye ettiler. Bu düzenlemeyle insan beyin korteksinin farklı nöronlar içeren altı farklı katmanı taklit edilebildi.

Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik Enstitüsü’nün kaynak anlaşmasının bir parçası olarak, Doku Mühendisliği Kaynak Merkezi’nin araştırmalarında elde ettiği yeni teknolojileri biyomedikal araştırma topluluklarıyla paylaşması gerekiyor. Kaplan’ın bu konudaki görüşleri şöyle:

Bu doku üzerinde çalışma yürütmek isteyen diğer laboratuarlarla işbirliği kurmak için sabırsızlanıyoruz.