İpek Böcekleri Laboratuvarlarda Organ Benzeri Dokuların Oluşturulmasında Yardımcı Oluyor!

Duke Üniversitesindeki biyomedikal mühendisleri çipte organ (OOC) modellerinin vücuttaki doku ve hücrelerin doğal ortamını daha iyi taklit etmesini sağlayacak ipek bazlı ultra ince bir zar geliştirdi. Bu zar, böbrek OOC platformlarında kullanıldığında dokuların sağlıklı veya hastalıklı böbrek işlevlerini taklit etmelerine yardımcı oldu.

Bu yeni zar, hücrelerinin birbirine yakınlaşmasını sağlayarak araştırmacıların herhangi bir organın önemli hücrelerinin anahtar dokularının büyümesini ve işlevini daha iyi kontrol etmelerine yardımcı oluyor. Böylece geniş bir hastalık yelpazesinin daha doğru bir şekilde modellenmesine ve tedavi yöntemlerinin oluşturulmasına da olanak tanıyor

Genellikle bir USB flaş bellek kadar bile büyük olmayan OOC sistemleri; doku yapısının dinamik modellerinin yapılması, organ fonksiyonlarının incelenmesi ve hastalıkların modellenmesi gibi konularda bir devrim yarattı. Bu platformlar, ilgili organı en iyi şekilde taklit ederek hücre büyümesi ve farklılaşmasını uyarmak için tasarlanmıştır. Araştırmacılar bu araçları insan kök hücreleriyle bile oluşturabilirler. Böylece klinik öncesi çalışmalar için hastaya özel organ modelleri oluşturulabilir.

Ancak teknoloji evrimleştikçe çipin tasarımı ile ilgili sorunlar da ortaya çıkıyor: En belirgin sorun ise özelleşmiş hücrelerin üzerinde büyümesi için destek yapısına şekil veren zarların yapıldığı malzemelerle ilgili. Bu zarlar indirgenmeyen polimerlerden oluşmuş olup hücreler ve dokular arasında daimî bir bariyer oluşturuyor. Genellikle insan organlarının hücre dışı zarları bir mikronu geçmezken bu polimerler 30 ila 50 mikron arasında bir değer alabiliyor ve hücreler arası iletişimi kesip hücre büyümesini kısıtlayabiliyor. Duke Üniversitesinde biyomedikal mühendisliği ve tıp öğretim üyesi Samira Musah şunları söylüyor:

Biz bu çiplerdeki dokuları bir patoloğun biyopsi örneklerini veyahut hastalardan aldığı dokuları işlediği gibi işlemek istiyoruz ancak bu elimizdeki yöntem, hücrelerin büyümesini insan vücudunda gerçekleşenden daha farklı sürdürdüğü için standart polimer zar ile mümkün değil.

Samira Musah sonrasında akıllarına şu fikrin geldiğini de ekliyor:

Örnek alabileceğimiz ve üzerinde çalışabileceğimiz kadar ince ve doğal zar yapısını taklit edebilen protein bazlı bir zar olsa güzel olmaz mıydı?

Bu soru, yazının ilk yazarı ve aynı zamanda Musah'ın laboratuvarında doktora öğrencisi olan George (Xingrui) Mou ile Musah'ı ipek böcekleri tarafından üretilen ve elektronik olarak zar haline getirilebilen bir protein olan ipek fibroine (ipek özü) yönlendirdi. Mikroskop altında incelendiğinde ipek fibroin, spagettiye benzer bir yapıya sahip. Birbirini saran uzun fiberlerden oluşuyor ve gözenekli yapısı da insan organlarında bulunan hücre dışı matriksi daha iyi taklit etmesini sağlamıyor. Bu materyal, daha önce de yara iyileştirme gibi amaçlarla doku iskelesi oluşturmak için kullanılmış. Mao durumu şöyle açıklıyor:

İpek fibroin, zar kalınlığını 50 mikrondan 5 mikronun altına düşürmemizi sağladı. Böylece yaşayan organizmalarda görebileceğimiz büyüklük mertebelerine yaklaştık.

Bu yeni zarı test etmek için Musah ve Mao malzemeyi böbrek çip modellerine uyguladılar. Şeffaf plastiklerden yapılmış ve yaklaşık 25 kuruş boyutlarındaki bu OOC platform damar yığınlarından oluşan ve görevi kanı filtrelemek olan böbreklerdeki glomerus kılcallarına benzerlik göstermektedir.

Zar yerleştirildikten sonra araştırmacılar çipin içine indüklenmiş pluripotent kök hücrelerini (iPSC) yerleştirdi. Araştırmacılar hücrelerin ultra ince zarın ötesine sinyal iletebildiğini gözlemledi ve bu da hücrelerin glomerus hücreleri, podositler ve vasküler endotelyal hücrelerine farklılaşmasını sağladı. Bu platform aynı zamanda büyüyen dokularda hücresel katmanlar arası sıvı geçişine izin veren endotelyal fenestrasyonların gelişmesine yardım etti.

Testin sonunda bu farklı böbrek hücresi tipleri birleşerek molekülleri boyutlarına göre filtreleyebilen bir glomerus kapsülü oluşturdu. Musah bu durum için şöyle diyor:

Bu yeni mikroakışkan çip sisteminin canlı dokular arası etkileşimleri taklit edebilmesi ve kök hücrelerden oluşmuş olan glomerül podositler ve delikli endotelyum gibi özelleşmiş hücrelerin oluşumunu sağlayabilme yeteneği; organ gelişimi, hastalık süreci ve tedavi yöntemlerinin geliştirilmesi alanlarında daha kapsamlı bir fikre sahip olmamıza yardımcı olabilir.

Modelleri iyileştirdikçe Musah ve meslektaşları bu teknolojinin böbrek hastalıklarını daha iyi anlamlandırılmasında kullanılmasını umuyorlar. Bu hastalıklar Amerika'da yetişkinlerin %15'inde görülse bile araştırmacıların elinde etkin bir model bulunmuyor. Genellikle hastalara böbrekleri büyük oranda hasar görene kadar tanı konmuyor ve genellikle diyalize girmeleri ya da böbrek nakli geçirmeleri gerekiyor. Mao bununla ilgili şöyle söylüyor:

Bu platformu kullanarak böbrek hastalıklarını modellersek hastalığın yeni biyo-işaretlerini keşfedebiliriz. Bu aynı zamanda kimi böbrek hastalığı modellerinde kullanılacak ilaç adaylarının izlenmesinde de kullanılabilir. Bu olasılıklar oldukça heyecan verici!

Bu teknolojinin tüm OOC modellerinde uygulaması var. Bizim dokularımız zarlar ve ara yüzeylerden oluşuyor. Yani bu zarın beyin, karaciğer, akciğer ve diğer hastalık oluşabilen yerlerde de kullanımı düşünülebilir. İşte bizim platformumuzun gücü de burada yatıyor!