Genetik Mühendisliği ile Kök Hücrelerden Mini Karaciğerler Üretmek ve Bunları Kullanarak, Karaciğer Hastalığı Olan Farelerin Ömrünü Uzatmak Mümkün!

Araştırmacıların vücuttaki tüm hücre türlerine dönüşme potansiyeline sahip kök hücreleri programlayıp, herhangi bir insan organını sıfırdan oluşturabileceklerini hayal edin. Bu, bilim insanlarının ilaçları test etmek için doku üretmesine ve yenilerini doğrudan hastanın hücrelerinden yetiştirerek organ nakli talebini azaltmasına olanak tanıyacaktır.

Yeni biyolojik parçalar yaratmaya ve mevcut biyolojik sistemleri yeniden tasarlamaya odaklanan sentetik biyoloji adı verilen bu yeni alanda çalışan araştırmacılar, yeni bir makalede, laboratuvarda yetiştirilen organlarla ilgili temel zorluklardan birinde ilerleme göstermeyi başardılar.^[1] Araştırmacılar, işleyen bir karaciğer oluşturmak için gereken çeşitli yetişkin hücreleri üretmek için gerekli olan genleri tespit etmeyi başardılar!

Kök hücrelerin bir alt grubu olan indüklenmiş pluripotent kök hücreler, insan vücudundaki herhangi bir organı oluşturabilecek hücreleri üretebilir.^[2] Fakat bu işi, ancak çevrelerinden doğru zamanda doğru miktarda büyüme sinyali alırlarsa yapabilirler. Eğer bu gerçekleşirse, sonunda insan organları ve dokuları şeklinde birleşip olgunlaşabilen farklı hücre tiplerinin ortaya çıkmasına sebep olurlar.

Araştırmacıların pluripotent kök hücrelerden ürettikleri dokular, nakilden yeni ilaç keşiflerine kadar kişiselleştirilmiş tıp için benzersiz bir kaynak sağlayabilir.^[3]

Fakat maalesef kök hücrelerden elde edilen sentetik dokular, diğer dokulardan istenmeyen hücreler içerdiğinden veya doku olgunluğundan ve bir organı beslemek için gereken oksijen ve besinleri getirmek için gerekli olan eksiksiz bir kan damarı ağından yoksun olduğundan, nakil veya ilaç testi için her zaman uygun değildir. Bu nedenle, bu laboratuvarda yetiştirilen hücrelerin ve dokuların işlevlerini yapıp yapmadıklarını ve onları nasıl daha çok insan organları gibi yapabileceklerini değerlendirmek için bir sisteme sahip olmak çok önemlidir.

Bu zorluktan esinlenen araştırmacılar, doku gelişimini okumak ve yazmak veya programlamak için bir sentetik biyoloji yöntemi oluşturmaya karar verdiler.^[4] Bunu, insan organlarını oluşturmak için doğanın kullandığı gibi, kök hücrelerin genetik dilini kullanarak yapmaya çalışıyorlar.

Genetik Tasarımlarla Yapılan Doku ve Organlar

Pittsburgh Karaciğer Araştırma Merkezi ve McGowan Rejeneratif Tıp Enstitüsü'nde sentetik biyoloji ve biyolojik mühendislikte uzmanlaşmış bir araştırmacı olan Mo Ebrahimkhani, amacın yeni biyolojik sistemleri analiz etmek ve inşa etmek olduğunu, ayrıca insan sağlığı sorunlarını çözmek için mühendislik yaklaşımlarını kullandıklarını söylüyor. Laboratuvarları, sentetik biyoloji ve rejeneratif tıbbı, hastalıklı organları veya dokuları değiştirmeye, yeniden yetiştirmeye veya onarmaya çalışan yeni bir alanda birleştiriyor.

Yeni insan karaciğerleri yetiştirmeye odaklanıyorlar; çünkü bu organ, kandaki çoğu kimyasal seviyeyi (protein veya şeker gibi) kontrol etmek için hayati önem taşıyor. Karaciğer, aynı zamanda vücudumuzdaki zararlı kimyasalları parçalar ve birçok ilacı metabolize eder. Ancak karaciğer dokusu da hassastır ve hepatit veya karaciğer yağlanması gibi birçok hastalıktan zarar görebilir ve yok edilebilir. Şu anda donör organ bulmakta sıkıntı yaşıyoruz, bu durum da karaciğer naklini sınırlandırıyor.

Bilim insanlarının sentetik organlar ve dokular yapmak için kök hücreleri kontrol edebilmeleri gerekir. Böylece kök hücreler, karaciğer hücreleri ve kan damarı hücreleri gibi farklı hücre türlerine dönüşebilirler. Buradaki amaç, bu kök hücreleri, kan damarlarını ve doğal bir organda bulunabilecek uygun yetişkin hücre tiplerini içeren mini organlar ve organoidler haline getirmektir.

Sentetik dokuların olgunlaşmasını düzenlemenin bir yolu, bir grup kök hücrenin büyümesini, olgunlaşmasını ve eksiksiz olarak işleyen bir organa evrimleşmesini sağlamak için gereken genlerin listesini belirlemektir. Bu listeyi elde etmek için Patrick Cahan ve Samira Kiani ile çalışan Ebrahimkhani, ilk olarak bir grup kök hücreyi olgun işleyen bir karaciğere dönüştürmede rol oynayan genleri tanımlamak için hesaplamalı analiz kullandı. Sonra araştırmaya katılan öğrencilerden ikisi olan Jeremy Velazquez ve Ryan LeGraw liderliğindeki ekip, kök hücrelerden insan karaciğer dokularını oluşturmaya ve olgunlaştırmaya yardımcı olmak için tanımlamış ve kullanmış olduğumuz belirli genleri değiştirmek için genetik mühendisliğini kullandı.

Doku, bir petri kabındaki genetiği değiştirilmiş kök hücre katmanından yetiştirildi. Genetik programların besinlerle birlikte işlevi, 15 ila 17 gün boyunca karaciğer organoidlerinin oluşumunu düzenlemekti.

Bir Kapta Karaciğer Yetiştirmek

Ekip, ilk olarak, fetal karaciğer organoidlerinin yetişkin organlar haline gelmesi için gerekli genlerin bir listesini elde etmek amacıyla bir hesaplamalı analiz kullanarak laboratuvarda yetiştirdikleri fetal karaciğer organoidlerindeki aktif genleri yetişkin insan karaciğerindekilerle karşılaştırdılar.^[5]

Creative Commons

Daha sonra, kök hücrelerin yetişkin bir karaciğere doğru daha da olgunlaşması için ihtiyaç duyduğu genleri ve ortaya çıkan proteinleri ayarlamak için genetik mühendisliğini kullandılar. Yaklaşık 17 gün içinde küçük, birkaç milimetre genişliğinde ancak genellikle insan gebeliklerinin üçüncü trimesterinde (gebeliğin 28. haftasından doğuma kadar geçen süre) karaciğerde bulunan bir dizi hücre ile daha olgun karaciğer dokuları oluşturdular.

Olgun bir insan karaciğeri gibi, bu sentetik karaciğerler besinleri depolayabiliyor, sentezleyebiliyor ve katalizleyebiliyordu. Laboratuvarda yetişen karaciğerler küçük olsa da, araştırmacılar gelecekte bunları büyütebileceklerinden umutlular. Yetişkin karaciğerlerle birçok benzer özelliği paylaşsalar da mükemmel sayılmazlar ve ekibin hala bu konuda yapacak işleri var. Örneğin, çeşitli ilaçları metabolize etmek için karaciğer dokusunun kapasitesini hala geliştirmeleri gerekiyor. Ayrıca, insanlarda nihai uygulama için bunu daha güvenli ve daha etkili hale getirmeleri gerekiyor.

Ancak bu çalışma, bu laboratuvar karaciğerlerinin sadece iki buçuk haftada olgunlaşma ve işlevsel bir kan damarı ağı geliştirme yeteneğini göstermektedir. Araştırmacılar, bu yaklaşımın, genetik programlama aracılığıyla diğer organların damar sistemi ile üretilmesine zemin hazırlayacağına inanıyorlar.

Karaciğer organoidleri, yetişkin bir insan karaciğerinin, gıdanın sindirimi için önemli bir kimyasal olan safranın düzenlenmesi ve temel kan proteinlerinin üretimi gibi birtakım esas özelliklerini sağlar.

Araştırmacılar, laboratuvarda yetiştirilen karaciğer dokularını, karaciğer hastalığından mustarip farelere yerleştirdiklerinde, farelerin yaşam süresinin uzadığını gördüler. Bu organoidlere, genetik tasarım yoluyla üretildikleri için "tasarımcı organoidler" adı verilmektedir.