İndüklenmiş Pluripotent Kök Hücreler: Zamanın Geriye Akmasının Biyolojik Yolu!

İndüklenmiş pluripotent kök hücreler (İng: "induced pluripotent stem cell" ya da kısaca iPSC), deri veya kan hücrelerinden alınıp, embriyonik evredeki pluripotent hücrelere dönüşecek biçimde programlanmış, dolayısıyla terapi amacıyla istenen herhangi bir insan hücresine dönüştürülebilir olan hücrelerdir. Örneğin bir iPSC, diyabeti tedavi etmek için beta islet hücrelerine dönüştürülebilir. Başka iPSC hücreleri, kan hücrelerine dönüştürülerek löseminin tedavisinde kullanılabilir. Diğer iPSC hücreleri ise nöronlara dönüştürülerek sinir hastalıklarının tedavisi için umut olabilir.

Bu özel hücrelerin ne olduğunu anlamak için, önce pluripotent kök hücrenin ne olduğuna ve özelliklerine bakalım.

Pluripotent Hücreler ve iPSC

Pluripotent hücrelerin tanımı iki özellik üzerine kuruluyor: kendini yenileyebilme ve başka hücrelere dönüşebilme potansiyeli. Bu hücreler, kanser hücreleri gibi sınırsız bir şekilde bölünebilir ve her yavru hücre, bu sınırsız bölünebilme özelliğini koruyabilir - ki buna "kendini yenileyebilme" diyoruz. Diğer özelliği ise, bu hücrelerin, gelen sinyaller doğrultusunda herhangi üç germ tabakasından birine ait özel hücrelerden birine farklılaşabilmesidir.

İki çeşit pluripotent kök hücre mevcuttur: embriyonik kök hücre ve indüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC). Embriyonik kök hücreler, preimplastasyon embriyoların iç hücre kütlesi adı bölgesinden alınıp, laboratuvarda sınırsız bir şekilde büyütülüp çoğaltılabiliyor. Asıl hikayemiz ise bunun etik olmadığını düşünen Shinya Yamanaka'nın deri hücreleri gibi farklılaşmış hücreleri pluripotent durumuna geri döndürebilir miyim diye düşünmesiyle başlıyor. Önce asıl hikayemizin arka planında ne olmuş, bu gelişmelere yol açan neler yaşanmış kısa bundan bahsedelim ve sonra bu etik sorun nasıl çözülmüş ona bakalım.

Tebu-bio

iPS Hücrelerinin Tarihi

Üç ayrı koldan gelen araştırmalar, 2006 yılında iPS hücrelerinde birleşti. Bunun ilk kolu, 1962 yılında John Gurdon'ın çekirdek transferi yoluyla bir iribaş elde etmesiyle başladı ve herkesin bildiği koyun Dolly'nin klonlanmasıyla devam etti. Bu sonuçlar, araştırmacılara hücrelerin farklılaşmış olsa da gelişme için gereken bütün bilgiye sahip olduklarını ve oositlerin somatik hücre çekirdeklerini yeniden programlamak için gerekli faktörleri sağladığını göstermiş oldu.

İkinci kol, 1987 yılında belli bir hücrenin kaderine karar veren master transkripsiyon faktörlerinin bulunmasıyla başladı ve bu girişimler, birkaç istisna dışında başarısızlıkla sonuçlansa da, iPS hücreleri fikrine katkı sağladı.

Sonuncu kol ise, 1981 yılında ilk defa fare embriyonik kök hücrelerinin üretilmesi ve pluripotent halini uzun süre muhafaza edecek kültür durumlarının belirlenmesiyle devam etti.

İlk iki daldan gelen bilgiler ışığında, hücrelerin yeniden programlanmasını sağlayan şeyin oosit hücrelerindeki farklı faktörlerin kombinasyonu olduğu düşüncesi doğmuş ve üçüncü daldan gelen teknik bilgilerle de, bu yeniden programlanan hücrelerin nasıl uzun süre muhafaza edileceği kararlaştırılmış oldu. Yamanaka'nın bu yaklaşımı, iPS hücrelerinin doğmasına yol açtı ve 2006 yılında Cell dergisinde bunun hakkında ilk makalesini yayınladıktan 6 yıl sonra, kendisine Nobel ödülünü getirdi.

iPS Hücrelerini Etkileyen Genler

Bu çalışma yapılmadan önce de embriyonik hücrelerde birçok genin farklılaşmış genlere oranla daha aktif olduğu biliniyordu. Bunlardan bazıları, Nanog ya da Sox2 gibi transkripsiyon faktörleri iken; diğerleri, tümör hücrelerinde de genellikle normalin üzerinde ifade edilen Stat3, E-Ras c-Myc ve Klf4 gibi hızlı çoğalma ve embriyonik hücre fenotipini uzun süre muhafaza etmeyi sağlayan genlerdi.

Embriyonik kök hücre kimliğini korumakla görevli olabilecek 24 aday gen, 5 sene içinde, Yamanaka ve onun öğrencisi Kazutoshi Takahashi tarafından seçildi. Özellikle fare embriyonik kök hücrelerinde ifade edilen Fbx15 geninin direnç kazandırdığı G418 ise, somatik hücreler ve embriyonik kök hücreleri ayırmak için bir seçim aracı olarak kullanıldı. Bu seçilen 24 gen, retroviral transdüksiyon yoluyla, tek tek fare embriyonik fibroblastlarına verildiği zaman hiçbir değişim gözlenmezken, 24 gen bir arada verildiği zaman 22 adet G418'e dirençli koloni gözlendi. Büyütülmeye devam edilen 12 koloniden 5 tanesi embriyonik kök hücrelere benzer bir morfoloji gösterdi ve bunların embriyonik kök hücre belirteci olan Oct3/4, Nanog, E-Ras, Cripto, Dax1, Zfp296 ve Fgf4 gibi genleri ifade ettikleri gösterildi.

Bir sonraki adımda, bu 24 adaydan hangilerinin kritik olduğunu bulmak adına hepsi tek tek karışımdan çıkarılıp, oluşan kolonilerin oranına bakıldı ve 10 tane kritik gen belirlendi. Bu 10 genin bir arada hücrelere verildiği durumda ise, 24 genin verildiği durumdakinden daha iyi bir koloni oranı elde edildi. Aynı mantık, bu 10 gen için de uygulandı ve Oct3/4 ya da Klf4 çıkarıldığı zaman hiç koloni oluşmadığı, Sox2 çıkarıldığında çok az koloni oluştuğu ve c-Myc çıkarıldığında ise koloni oluştuğu fakat bunların embriyonik kök hücre morfolojisinden uzaklaştığı gözlemlendi. Diğer genlerin karışımdan çıkarılması ise koloni sayısını kayda değer bir şekilde etkilemedi.

Böylece, indüklenmiş pluripotent kök hücre için dört ana faktör belirlenmiş oldu: Oct3/4, Sox2, Klf4 ve c-Myc. Makale boyunca, üretilen hücrelerin pluripotent olduğunu kanıtlamak için birçok deney yapıldı ve sonunda, bunların embriyonik kök hücrelerle özdeş gen ifadesine sahip olmasalar da pluripotent olduklarını çeşitli deneylerle ispatladılar. Bu makalenin yayınlamasından bir sene sonra da, benzer bir yaklaşımla, insan fibroblastlarından indüklenmiş kök hücre üretilebileceğini gösterdiler.

Şunu da söylemeden geçmeyelim: Aynı yıl, James Thompson ve grubu da insan somatik hücrelerini indüklenmiş pluripotent kök hücrelere dönüştüren bir makale yayınladılar. Oct4 ve Sox2 genleri, iki grupta ortak olsa da bu grup c-Myc ve Klf4 yerine Nanog ve Lin28 faktörlerini lentivirüs metoduyla hücrelere vererek iPS hücreleri ürettiler. James Thompson ise, 1998 yılında ilk insan embriyonik kök hücre hattını elde eden bilim insanı olma şerefine erişince, insan iPS hücrelerini elde etmiş olması da pek şaşırtıcı olmadı.

Tüm Bunlar Ne İşe Yarar?

Farklılaşmış bir hücreyi zamanda geri götürür gibi tekrar kök hücre haline dönüştürme başarısı kendi kendine bile yeterince heyecanlı olsa da, bunun pratik sonuçları nelerdir? Yamanaka, 2017 yılında Oslo Üniversitesi'nde verdiği konuşmasında bunun yararlarını iki grup altında topluyor: rejeneratif tıp ve ilaç geliştirme.

Rejeneratif Tıpta Atılım!

Rejeneratif tıp ile hastaların kendisinden alınmış deri hücreleri gibi somatik hücreler laboratuvar koşullarında pluripotent kök hücreye dönüştürülebilir ve hastanın ihtiyacına göre bu kök hücreler herhangi bir hücre tipine farklılaştırılabilir. Bu metot, hem çok miktarda hücre üretilebilmesini sağlıyor (çünkü kök hücreler, belirttiğimiz gibi sınırsız sayıda bölünebiliyor), hem de hücre hastanın kendisinden alınmış olduğu için bağışıklık sistemi tarafından reddedilme olasılığı ortadan kaldırılmış oluyor.

Yamanaka, konuşmasında bu yöntemin hayata geçirilmiş bir örneğinden bahsediyor: Dr. Masayo Takahashi, retinal pigment epitel hücrelerinin yaş dolayısıyla dejenerasyona uğramasıyla, hastaların görme yeteneğini kaybetmesi üzerine çalışan bir bilim insanı. Kendisi, hastanın deri hücresini önce iPS hücresine, sonra onu da tek katmanlı bir retinal pigment epitel hücresine dönüştürüyor ve bu katman hastanın gözüne naklediliyor. Bu, 2004 yılında ilk defa iPS hücrelerinden üretilmiş bir dokunun nakli olmuş oluyor ve hastanın görüşü iyiye gidiyor.

Bazı Dezavantajlar...

Bu prosedürün dezavantajları arasında, çok pahalı olması ve ilk deri hücresinin alınmasından, nakil işlemine kadar bir yıl geçmesi yer alıyor. Bu, durumu kritik olan ve kısa bir zamanda organa ihtiyacı olan bir hasta için uzun bir süredir. Kendisi, bu konuşmada, geçen süreyi ve masrafları azaltmak adına süper donör dedikleri insanlardan aldıkları, halihazırda iPS hücrelerine dönüştürüp depoladıkları ve ihtiyaç durumunda başka hücrelere dönüşmeye hazır olarak tuttukları bir projeden bahsediyor. Süper donörleri özel kılan, bağışıklık sisteminin reaksiyonunu en aza indirebilecek bir haplotipe sahip insanlar olmalarıdır.

Bu yöntemin, para ve zaman dışında da bazı dezavantajları mevcut: Öncelikle bu dört faktör, virüsler aracılığı ile hücrelere veriliyor ve bu genler, genom üzerinde herhangi bir yere entegre olabiliyor - ki bu da daha sonraki evrelerde tümör oluşmasına sebebiyet verebiliyor. Bu zorluğu aşmak adına, virüs kullanmadan, sadece bazı küçük molekül kokteylleri verilerek hücreleri iPS hücrelerine dönüştürme çalışmaları yapılıyor; fakat bunların da hücreleri dönüştürme oranı virüs metoduna göre çok düşüktür. Bu yüzden halen optimize edilmeleri gerekiyor.

Bunun dışında, daha her yerde geçerli olabilecek bir kalite kontrol prosedürü olmaması ve hücrelerin epigenetik hafızası dolayısıyla tam iPS hücrelerine dönüşememesi ya da farklılaşamaması gibi riskler de, bu yöntemin klinik olarak kullanılması için biraz daha vakte ihtiyaç olduğunu gösteriyor.

flickr

İlaç Geliştirme İçin Bir Umut!

İkinci kullanım alanı olarak ilaç geliştirmeden söz etmiştik. Yamanaka, konuşmasında motor nöronların hasar görmesiyle ortaya çıkan ALS (Amyotrofik Lateral Skleroz) hastalığından bahsediyor. Bu hastalığın fare modelleri bulunuyor ve fareleri iyileştirmeyi başaran etkili ilaçlar da mevcut; ancak bu ilaçlar, insanlarda işe yaramıyor.

Bu durumda fare modelleri yeterli olmadığı için, insan motor hücreleriyle çalışmak bir zorunluluk haline gelmiştir; fakat bunların donörlerden elde edilmesi imkansızdır. Bunlar, otopsi ile elde edilebilir, fakat motor nöronlar tamamen farklılaşmış hücreler oldukları için, bölünme özelliklerini kaybetmiştirler ve büyük miktarlarda elde etmek yine imkasıza yakındır.

İşte burada devreye, alternatif bir yol olarak, iPS hücreleri giriyor. Hastalardan ve sağlıklı insanlardan alınan hücreler motor nöronlara farklılaştırıldıklarında sağıklı donörlerden alınan hücreler yaşarken, ALS hastası donörlere ait motor nöronlar ölmeye başlıyor. Bu hücreler farklılaştırılmadan önce yeterince bölünüp çoğaldıkları için elimizde farklı ilaçları deneyebilecek kadar çok sayıda ALS hastalarının hücrelerinden farklılaştırılmış motor nöron hücresi mevcut oluyor. Böylece iPS hücreleri hastalık modellemesi ve bunların üzerinde denebilecek ilaçlar için etkili bir metot olarak ortaya çıkıyor.

Umuyoruz tüm bunlar, bulunduktan 6 sene sonra gibi kısa sürede Nobel ödülü getirmiş ve hem ülkemizde hem de dünyada yoğun bir şekilde araştırmaları süren iPS hücrelerinin önemli hakkında size bir fikir verebilmiştir.