Hücre İşlevlerinde Biyoelektrik: Hücre Zarındaki Elektriksel Değişimler, Canlılığın Fonksiyonlarını Nasıl Etkiliyor?

Rejeneratif biyoloji ve tıbbın önemli amaçlarından birisi, büyüme ve gelişmeyi yöneten hücre içi sistemleri anlamaktır. Bu şekilde dile getirdiğimizde aklımıza ilk gelen seçeneklerin transkripsiyonel ağlar ve hücrenin dışarıdan aldığı kimyasal sinyaller olması beklenen bir durum; fakat bunların dışında aklımıza ilk anda gelmeyen kontroller de hücrelerin işbirliği ve vücudumuzdaki karmaşık yapıların tamiri için gerekiyor. Bunlardan biri de hücre zarına yerleşmiş iyon kanalları, porları ve pompalarıyla oluşturulan ve diğer ağlarla uyum içinde çalışan biyoelektrik sinyaller.

Bu biyoelektrik sinyallerin hücre içindeki diğer ağlarla beraber çalışmasıyla hücrelerin embriyogenez ve yaraların tamiri sırasında zarar gören dokudaki hücrelerin bulundukları konumla aldığı sinyaller düzenlenir ve hücreler bu sinyallere göre farklılaşıp, kimlik kazanır. Nöronlardan bahsederken elektrik kavramına alışkınız; fakat vücudumuzdaki diğer hücre tipleri söz konusu olduğunda, membran potansiyeli hakkında neler biliyoruz?

Bütün hücreler hücre zarındaki voltaj potansiyelinin değişimine bir şekilde yanıt verir. Yukarıda saydığımız iyon kanalları, porları ve pompaları belirli iyonları hücre zarı üzerinde dağıtır ve nöronlarda görmeye alışık olduğumuz hızla yükselen bir akım yerine yavaş değişen bir dinlenme potansiyeli oluşturur. Ayrıca bir grup hücre geçit bağlantıları (İng: "gap junctions") yoluyla birbirlerine elektriksel anlamda küçük moleküllerin geçişine izin vererek bağlanabilir. Bu yolla, komşu hücrelere hatta daha uzakta bulunan hedef hücrelere bilgi iletilebilir. Bu sinyal çeşidi; hücrelerin çeşidi, doku boyutu, konumsal bilgisi, eksenel polaritesi ve organların kimliği gibi rejeneratif parametreler ile ilgili bilgi iletilmesi ve işlenmesi için kullanılır.

Daha derin konulara ve kullanımlarına dalmadan önce fizik bilgimizi biraz tazeleyip yolumuza öyle devam edelim. Voltaj dediğimiz şey basitçe elektrik potansiyelindeki farktır ve bir elektrik akımını bir direnç üzerinden geçirme kapasitesidir. Tanım gereği voltaj, elektrik potansiyelindeki fark olduğu için, "tek bir noktadaki voltaj" kavramı anlamsızdır; tek bir noktada voltaj olamaz. Voltaj, her zaman iki nokta arasında ölçülür. Bu yüzden membran potansiyelini ölçmek için iki farklı noktaya ihtiyacımız vardır bu da hücrenin içi ve dışı olarak belirlenir.

Hücrenin bir içine bir de dışına elektrot yerleştirip iki elektrodu da bir voltmetrenin ucuna bağlarsak hücre zarının potansiyel farkını ölçebiliriz. Tek tek değerleri tanım gereği bulamayacağız için de geleneksel olarak hücrenin dışına sıfır potansiyel değeri atar ve hücre içi potansiyeli de potansiyel farka göre belirleriz. Hücrenin iç ve dışını ayıran yapı hücre zarı olduğu için ve hücre zarı seçici geçirgen olmayıp iyonların geçişine izin vermediği için bu fark oluşur ve fizyolojik voltaj -100 mV değerine ulaşabilir. Aynı zamanda hücre zarının kalınlığı 5-10 nm arası olduğu için bu değerdeki bir voltaj 10⁷ Vm^-1 gibi yüksek bir elektrik alan değerine karşılık gelir.

Hücre zarındaki bu potansiyelin nasıl yaratıldığını anlamak amacıyla aşağıdaki figür incelenirse hücre zarında farklı iyonlar taşıyan iyon kanalları görülür. Hücrenin dışarıdan uyarılmadığı durumda membran potansiyelini yaratan şey figürde gördüğümüz iyonların hücrenin içinde ve dışında farklı konsantrasyonlarda bulunmasıdır. Bu farklı konsantrasyonları mümkün kılan da söz konusu iyonların bu zardan içeri girip girmeyeceğini kontrol eden kuvvetler ve hücre zarı üzerinde belirli bir iyona özel bir pompanın olup olmadığıdır. Bu voltajı yaratan başka iyonlar olsa da baskın olarak K⁺, Na⁺ ve Cl^- bu süreçte rol alır. Bunlar dışında hücre zarından geçemeyen protein ve organik anyonlar da mevcuttur ve hücrenin içerisinin dışarısına göre daha negatif olmasına katkıda bulunurlar.

Eğer bu pompalar sürekli açık olup bütün iyonların serbestçe geçmesine izin veriyor olsaydı, hücrenin içinde ve dışında bu iyonların konsantrasyolarının aynı olmasını beklerdik; fakat hücre ciddi miktarda enerji harcayıp bazı iyonları hücrenin dışına pompalar ve böyle farklı konsantrasyonlar oluşur. Bu iyonlara etki eden iki kuvvet oluşmuş olur böylece. Difüzyon yasası moleküllerin yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona doğru hareket ettiğini belirtir ve hücre içinde daha çok bulunan potasyum iyonlarının dışarı doğru, dışarıda daha çok bulunan sodyum iyonlarının ise hücre içine doğru difuz etmesini öngörür. Fakat bu iyonlar yüklerinden dolayı elektriksiksel kuvvete de maruz kalırlar.

Herkesin hatırlayacağı gibi aynı yükler birbirini iter, zıt yükler ise çeker. Elektrik alana yerleştirilmiş olan bu iyonlara da aynı kuvvet etki eder ve pozitif ve negatif kutuplar bu iyonları ya iter ya da çeker. Varsayımsal olarak bir hücrede dışarı sodyum içeri potasyum pompalayan bir iyon pompasının hücre içi ve dışı için konsantrasyon gradyeni oluşturduğunu ve bütün bu pozitif yükleri dengelemek için de iki taraf da aynı molarda klorür eklediğimizi düşünelim.

Daha sonra bu hücre zarına sadece potasyumu seçici bir iyon kanalı eklenirse potasyum iyonları konsantrasyonlarının daha düşük olduğu tarafa yani hücrenin dışına doğru akmaya başlar ve pozitif yükleri onlarla beraber taşınarak eşit olmayan bir yük dağılımı oluşur ve hücre zarımız polarize olur. Artık hücrenin dışı içine göre daha pozitif yüklüdür ve bu da iyonlarımız üzerinde bir elektrik kuvveti oluşturur. Bu sefer de hücrenin içi negatif olduğu için potasyum iyonları hücre içine doğru, konsantrasyon gradyeninin tersine doğru çekilir. İşte bu noktada iki kuvvetten de etkilenen iyonlar üzerinde bir elektrokimyasal denge oluşur ve bu noktada oluşmuş olan membran voltajına denge potansiyeli ya da Nernst potansiyeli denir.

Farklı hücrelerin farklı membran voltajına sahip olmasının nedeni de farklı iyonların geçişine izin veren iyon kanallarına sahip olmasıdır. Mesela, potasyum için bu değer -100mV iken sodyum için bu değer +60mV, sırasıyla kalsiyum ve klorür iyonları için de bu değerler +123mV ve -76mV olacaktır. Tabii sadece bir iyon değil farklı iyonlarla da bir denge değeri sağlanabilir ki genelde olan da budur. Burada yeri gelmişken de önemini vurgulamak açısından şunu belirtelim ki 2002 kimya nobel ödülünün yarısının sahibi de potasyum kanallarıyla ilgili çalışmasından dolayı Roderick MacKinnon'dur.

Bu zamana kadar okuduklarımızdan bu membran potansiyelinin nasıl oluştuğunu anladık. Peki bu hücre içindeki diğer süreçlere nasıl bağlanıyor? Aşağıdaki resimde bulunan şemada oklarla gösterildiği gibi membran voltajında herhangi bir değişim meydana geldiği zaman voltaja bağlı çalışan seratonin ve bütirat taşıyıcıları, voltaja bağlı kalsiyum taşıyıcıları, voltaj regülasyonlu fosfotazlar gibi hücre zarı taşıyıcı proteinleri gelen mesajın türüne göre aktive olur ve hücre içinde genelde gen ekpresyonunu düzenleyerek son bulan bir sinyal iletimini başlatır. Böylece, membran potansiyelini değiştiren mesajlar göç, proliferasyon, hücre ölümü, farklılaşma, gen ifadesi ve şekil değişiklikleri gibi hücre davranışlarını etkileyen mesajlara dönüşüyor.

Developmental biology

Morfogenez Sahasında Elektrik

Hem morfogenez hem de rejenerasyon, hücre hareketinin ve pozisyonun hassas bir şekilde düzenlenmesini gerektirir. Günümüzden yaklaşık yarım yüzyıl önce, elektrik alanın hücrelerin davranışını yönlendirdiği, hücrelerin bu alana ya paralel ya da dikey olarak yöneldiği ve hücre göçlerinin anot ve katoda göre ayarlandığını gösteren bir makale yayınlandı. Hangi hücre tiplerinin nasıl tepki verdiği ile ilgili bir tartışma hala sürüyor olsa da, çeşitli embriyonik ve somatik hücre tiplerinin elektrik alan karşısında in vivo galvano-taksi gösterdiği ortaya kondu. Bu makalelere örnek olarak 2008 yılında Cellular Physiology dergisinde yayınlanan ve fizyolojik aralığa yakın (120mV/mm) uygulanan bir elektrik alanın hipokampal nöronların katoda doğru göçünü yönlendirdiği gösterildi. Bu alanın kutupları tersine çevrildiğinde ise beklendiği gibi nöron göçünün yönü de tersine döndü.

Wikipedia Commons

Rejeneratif yanıtların önemli kısımlarından biri olan yaraların iyileşmesinde de elektrik alanın etkisi çeşitli makaleler ile gösterildi. Mesela 2005 yılında FASEB dergisinde yayınlanan makalede araştırmacılar titreşimli prob tekniklerini kullanarak farelerin korneasında oluşturulan yaraların endojen elektrik akımlarının (İng: "endogenous electric currents") uzamsal ve zamansal bir haritasını çıkardılar. Klorür ve sodyum iyonlarının elektrik akımlarının oluşmasında başat aktörler olduğunu bulan araştırmacılar, sodyum iyonunun daha çok yara almamış kornea bölümlerinde ve yara almış kısmın merkezinde, klorürün ise yara alan bölgenin kenarlarındaki endojen elektik akımının oluşmasında önemli olduğunu gösterdi. Klorür miktarının çeşitli ilaçlar yardımıyla değiştirilmesiyle endojen elektrik akımı da değişti ve bununla paralel olarak yaranın iyileşme hızı da beklendiği gibi değişti.

Yine hücre göçü konusunda 2013 yılında EMBO dergisinde yayınlanan makalede araştırmacılar nöroblastların subventriküler bölgeden göçünde endojen elektrik akımlarının bir kılavuz görevi gördüğünü bildirdi ve yetişkin fare beyninde rostral göç yolu boyunca oluşan elektrik akımlarının varlığını bildirdi.

Kanser Tedavisinde Elektrik

Kanser hücrelerinin normal hücrelere oranla dinlenme potansiyellerinin daha depolarize olduğu yani daha pozitif bir değere sahip olduğu uzun zamandır bilinen bir durum. Bunun ise tümör hücrelerinin büyüyüp gelişmesi ve hatta yayılması için bir sinyal görevi gördüğü düşünülüyor.

2016 yılında Oncotarget isimli bir dergide yayınlanan makale ise kanser hücrelerinin bu özelliğini yeni ilaçlar için bir hedef haline getirebileceğimizi gösterdi. Bu grup, ilk önce tümör indükleyen bir moleküler reaktif olan KRAS geninin mRNA'sının hücrelere enjekte etti ve bunun tümör hücrelerinin özellikerlini gösterdiğini kanıtladı. Daha sonra membran potansiyelini değiştirmek amacıyla optogenetik bir yöntemle hücreleri hiperpolarize eden ve yeşil ışıkla aktive olup açılan (İng: 'light gated') H⁺ pompası Arch proteinini hücrenin içinde ekspres ettirdi. Hem Arch hem de KRAS mRNA'sını taşıyıp bunları ekspres eden hücrelerin 24 saat boyunca ışığa maruz kalmasıyla, Arch H⁺ iyonlarını dışarı pompaladı ve dışarıya iyonların akmasıyla beraber hücrelerin içi daha negatif bir değere ulaştı ve bu tümör benzeri yapılarda 32% bir azalma gözlemledi. Bununla da kalmayıp mavi ışıkla aktive olan ChR2 katyon kanalı ile tümör benzeri yapıları çoktan göstermeye başlamış olan hücreleri normal hücrelere geri döndürdüler.

Bu deneyler Xenopus laevis adı bir model organizma üzerinde yapılmış olsa da deneyler başlamadan önce memelilerdeki tümör indükleyen molekülleri ekspres ettiği gösterildiği için bu gibi metotların memeliler için de uygulanabilir olduğunu göstermek açısından önemli bir adım. Bu makale de kanser tedavisinde iyon kanallarının manipülasyonunun etkili olabileceğini gösteren ilk makale olmadığı gibi son da olmayacaktır.

Rejeneratif Biyolojide Elektrik

Şimdi de aşama 1 klinik insan denemesine kadar gelmiş rejeneratif biyoloji alanındaki elektrik alanın önemini gösteren bir araştırma dizisinin hikayesine bakalım. 1980 yılında Borgens ve meslektaşları, larva halindeki bofa balığının omuriliğinde yapılan çapraz bir kesintisinin sabit elektrik sinyalleri yarattığını ve bu sinyalleri dengeleyen bir uygulamalı bir elektrik alanının rejenerasyonu geliştirdiğini gösterdi. Daha sonra aynı grup gine domuzlarında beyne duyusal bilgi taşıyan omuriliğin dorsal kısmını kestiler ve bu kolon liflerinin bir elektrik alan uygulanmadığı sürece iyileşmediğini gösterdiler. Dört hafta boyunca 35 µA elektrik akımı sırt kordonu boyunca geçirildiğinde ise hayvanların %25'inde refleks iyileşmesi sağlandı.

Diğer deneylerde ise 6mm uzunluğundaki bir silikon tüp, tüpün lümenine yerleştirilen katot ile kesilmiş olan sırt kordonuna implante edildi. Akım geçişi olmayan kontrol durumunda büyümeyi engelleyecek doku tıkaçları oluştu; ama elektrik alanın varlığında rejeneratif aksonal büyüme gözlendi. Büyüyen aksonlar tüpe doğru çekildi ve tüpe birkaç milimetre girdi.

Journal of Cell Science

Son olarak da bir Faz 1 klinik araştırma her iki kol ve bacağın da etkilendiği spastik tip bir serebral palsi çeşidi olan kuadriplejik hastaların omuriliğe yerleştirilen elektrik implantlarını üç ay boyunca tolere ettiklerini gösterdi. Bu implantlar çıkarıldıktan bir yıl sonra da on hastadan dokuzunun motor olmasa da bazı duyusal fonksiyonlarının iyileştiğini gösterdi.

Sonuç olarak biyoelektrik ilk anda aklımıza gelmeyen bir regülasyon olsa da yukarıda saydığımız birçok alanda ve fonksiyonda vazgeçilmez bir görev üstleniyor.