Kriyojenik Olarak Dondurulmuş Yaşamı Geri Getirmeye Çok Yakınız!

Astronotların kriyojenik uykuya yatırılması, bilim kurgunun en kalıcı fantezilerinden biridir ancak yeni bir çalışma, kurgu ile gerçeklik arasındaki uçurumun biraz daha daraldığını öne sürüyor.

Friedrich-Alexander Üniversitesi Erlangen-Nürnberg (FAU) ve Erlangen Üniversite Hastanesinden araştırmacılar, farelerden alınan beyin dokusunu dondurmayı ve çözüldükten sonra işlevini geri kazandırmayı başardılar.

Beyin dokusunun sadece küçük bir kısmı canlandırılmış olsa da nöronlar elektrik sinyallerini paylaşabildi ve hatta hafıza ve öğrenme için gereken karmaşık süreçleri sürdürmeyi başardı. BBC Science Focus'a konuşan, araştırmanın başyazarı ve Erlangen Üniversite Hastanesi Moleküler Nöroloji Bölümü araştırmacısı Dr. Alexander German, elde ettikleri bulguları şöyle açıkladı:

Deneyi yapmadan önce bunun işe yarayacağına ikna olmamıştım. İnsanların bu konuya bakış açısı muhtemelen saf bilim kurgu düzeyinden ciddi ve uzun vadeli bir bilim ve mühendislik problemi düzeyine kaymalıdır.

Doğadan İlham Almak

Doğa, bazı açılardan kriyojenik uyku meselesini çoktan çözmüş durumdadır. Örneğin Sibirya semenderi, donma noktasının 50 santigrat derece altında (-50°C) hayatta kalabilir; sıcaklıklar yükselip normal faaliyetlerine dönene kadar permafrost içinde yıllarca uykuda kalabilir.

Bu canlının sırrı, hücre içinde buz kristallerinin oluşmasını engelleyen doğal bir antifriz olan gliserol üreten karaciğerinde yatmaktadır.

Buz oluşumu, insanların hücre dondurma girişimlerini sekteye uğratan temel sorundur. Hücrelerin içinde ve arasında büyüyen kristaller, canlı dokunun hassas nano yapısını mekanik olarak parçalar.

Bu durumla mücadele etmek için kullanılan kimyasalların da kendilerine has sorunları vardır. Birçoğu hassas hücreler için toksiktir ve konsantrasyonları değiştikçe doku içindeki sıvı dengesinde zararlı değişikliklere neden olur.

Ekibin bu soruna bulduğu çözüm, vitrifikasyon (camsılaştırma) adı verilen bir teknikti. Vitrifikasyon, suyun kristalleşmesine izin vermek yerine doku sıvısının büyük bir kısmını kriyoprotektif (soğuktan koruyucu) kimyasallardan oluşan bir karışımla değiştirir. Ardından molekülleri cam benzeri bir duruma kilitleyecek kadar hızlı bir şekilde soğutur. Hem cam hem de buz sert katılar olsalar da camın rastgele bir yapısı vardır; bu da kristal oluşumunun ve dolayısıyla mekanik hasarın engellenmesi anlamına gelir.

Dr. German ve meslektaşları, buz oluşumunu engellerken olabildiğince zehirsiz kalacak şekilde özenle optimize edilmiş, V3 adı verilen özel bir solüsyon kullandılar.

Daha sonra deneylerini, beynin hafıza ve öğrenmeden sorumlu küçük bir yapısı olan hipokampüs üzerine yoğunlaştırdılar.

Bir insan saçının yaklaşık üç katı kalınlığındaki fare hipokampüs kesitleri, kademeli olarak daha yüksek yoğunluktaki V3 solüsyonundan geçirildi. Ardından sıvı azotla soğutulmuş bir bakır silindir üzerinde hızla -196°C'ye soğutularak on dakika ile yedi gün arasında değişen süreler boyunca -150°C'de saklandı.

Bilim insanları dokuları çözdüklerinde nöronların yapısının korunduğunu buldular. Elektriksel ölçümler, nöronların ateşlendiğini ve hipokampüs ağları boyunca iletişim kurduğunu gösteriyordu.

Ancak asıl büyük ödül, nöronlar arasında sık kullanılan bağlantıların seçici olarak güçlendirildiği bir süreç olan uzun süreli güçlenme (İng: "long-term potentiation") işlevinin korunmasıydı. Bu süreç, bir şeyleri nasıl öğrendiğimizin ve hatırladığımızın hücresel temeli olarak kabul edilir ve deney sonrasında söz konusu işlevin hâlâ çalışmakta olduğu gözlemlendi.

Bu durum Dr. German için büyük önem taşıyordu; çünkü long-term potentiation ya da kısaca LTP, beyin işlevleri için son derece zorlu bir testtir. Tüm bir hücresel mekanizma zincirinin aynı anda çalışmasını gerektirir: Sinapslar boyunca salgılanan sinyal kimyasalları, aktive edilen belirli reseptörler, kalsiyum iyonlarının doğru bir şekilde yönetilmesi ve nihayetinde nöronal bağlantıyı güçlendiren bir dizi moleküler olay.

Tüm bunların tamamen dondurulduktan sonra bile işlevsel kalması, dokunun vitrifikasyon sürecini beklenenden çok daha iyi bir durumda atlattığını gösteriyordu. Dr. German, elde ettikleri bu başarıyı şöyle özetledi:

Bu sonuç bize, tam bir kriyojenik duraksamadan sonra bile sinaptik mekanizmanın yeni esnekliklere uyum sağlayacak kadar sağlam kaldığını gösteriyor.

Gerçeklik ve Bilim Kurgu Arasındaki Çizgi

Bu teknolojinin ilk aşamadaki en acil kullanım alanları, yıldızlararası seyahatten ziyade Dünya'daki tıbbi uygulamalardır. Şu anda epilepsi ameliyatları sırasında beyin dokusunu çıkaran cerrahların, dokuyu anında incelemesi gerekir ancak çalışan bir vitrifikasyon yöntemi sayesinde bu örnekler bir bankada saklanabilir ve yıllar sonra tekrar incelenebilir.

Nitekim Dr. German'ın kendi kurduğu girişim olan Hiber, ilaç keşfi ve hastalık araştırmaları için bu tekniği, korunmuş insan sinir dokularının güvenilir bir kaynağı hâline getirmek için şimdiden çalışmalarını sürdürüyor.

Ayrıca araştırmacılar, uzun süreli depolama fiziğinin şaşırtıcı derecede umut verici olduğuna da dikkat çekiyor. Doku camsı geçiş sıcaklığının altına düştüğünde, moleküler hareket ve kimyasal bozulma temel olarak durur; yani arka planda işlemeye devam eden biyolojik bir saat kalmaz.

Dr. German'a göre, özellikle bu tür teknikler gelecekteki uzun mesafeli uzay görevlerinde kullanılacaksa, asıl büyük zorluk radyasyon problemi olabilir.

Dokulardan Organizmalara Geçiş

İnce bir doku kesitinden bütün bir organa (bütün bir vücut bir yana dursun) geçiş yapmak, tamamen farklı bir problem olmaya devam ediyor.

İnce bir kesitte, kriyoprotektif maddeler tüm yüzeylerden içeriye kolayca nüfuz edebilir. Bozulmamış bir beyinde ise bu kimyasalların kan damarları yoluyla iletilmesi ve uzaklaştırılması gerekir; kan-beyin bariyeri ise bunu son derece zorlaştırır.

Yeniden ısıtma sırasında bazı kısımların eşit olmayan bir şekilde çözülmesi durumunda dokular çatlayabilir veya kısmen yeniden kristalleşebilir. Bu da vitrifikasyonun korumayı amaçladığı yapıyı tahrip edebilir. Dr. German, bu durumu ve çalışmanın önemini şu sözlerle açıkladı:

PNAS dergisindeki çalışmamız nöral kriyobiyoloji alanında bir prensip kanıtıdır, tüm organizmanın kriyostazisine yönelik bir gösteri değildir. Çalışmanın asıl gösterdiği şey, yetişkin bir memeli beyin dokusunun, buzsuz bir kriyojenik camda tamamen durdurulduktan sonra fizyolojik devre işlevine yakın bir iyileşme gösterebileceğidir. Bu durum oldukça önemlidir; çünkü yetişkin beyin dokusunun hücre dondurma işlemi için çok kırılgan olduğu yönündeki itirazları ortadan kaldırmaktadır.

Ekip için çalışmanın asıl önemi, bilim kurgu filmlerinin vadettiği sinematik sahnelerden ziyade tıp alanında yatıyor. Dr. German, bilim kurgu fikrinin daha ayık ve gerçekçi versiyonunun yıldızlararası seyahat değil, sadece, "zaman kazanmak" olduğunu vurgulayarak sözlerini şöyle tamamladı:

Eğer tıp dünyası dokuları, organları ve belki de bir gün hastaları daha etkili bir şekilde korumayı öğrenebilirse, gelecekte insanları daha iyi tedavilerle buluşturmanın bir yolunu elde etmiş oluruz.