Kanserle Savaşta Hedef Değişikliği Umut Veriyor
Geleneksel olarak her yılın sonunda editörleri arasında yaptığı bir anketle bilim ve teknolojide o yıl içinde kaydedilmiş en önemli 10 hamleyi seçen ünlü bilim dergisi Science, 2013 yılında ilk sıraya, kansere karşı “bağışıklık tedavisi” (immunotherapy) alanında kaydedilen umut verici gelişmeleri yerleştirdi. Dergi, ilginç bir girişle, kanser tedavisiyle ilgili olarak geçmişte büyük umutlar vadedip de sonunda hayal kırıklığı yaşatan ya da beklendiği kadar etkili olamayan açılımların deneyimiyle, bu karara benzedr endişelerin de dile getirildiği uzun tartışmalardan sonra varıldığını belirtti. Açıklamaya göre, sayıları giderek artan ve çeşitlenen başarı öykülerinin yanısıra, tereddütlerin aşılmasında kanser çalışmalarında kendini belli etmeye başlayan bir paradigma değişikliği de etkili oldu: Araştırmacıların hedefe tümör yerine bağışıklık sistemini koyarak yaklaşmaları. Bir başka deyişle, bağışıklık sistemini güçlendirerek kanserle daha etkili biçimde savaşmalarını sağlamaları.
Yeni açılımı sağlayan araçlardan biri, çeyrek yüzyıl önce Fransız araştırmacılarca vücuda giren yabancı maddeleri içine alarak yokeden ve üzerini lenfosit ya da T-hücreleri denen bağışıklık hücrelerinin üzerinde keşfedilen yenibir protein almacı (reseptör). Daha sonra Amerikalı kanser imunologu James Allison, sitotoksik T-Lenfosit antijen 4, ya da kısaca CTLA-4 denen almacın, T hücrelerini frenleyerek tüm güçleriyle bağışıklık saldırısına geçmelerini önlediğini keşfetmiş. Bundan sonra da Allison ve diğer kanser araştırmacıları, “bloke edeni bloke ederek” kanser tedavisi geliştirmeye yönelmişler. Başlangıçta ilaç firmaları yöntenme kuşkuyla baktıklarından, bu antikoru sentezleyip hastanın vücuduna sokacak ipilimumab adlı ilacı geliştirmek önce küçük şirketlere düşmüş, ama zaman içinde başarılı sonuçların ortaya çıkmasıyla endüstri devleri de ilgilenmeye başlamışlar.
Bu arada 1990’lı yılların başlarında Japonya’da bir biyolog tarafından yapılan bir keşif, daha da etkili antikorların geliştirilmesine yol açmış. Japon biyologun keşfettiği, T-hücrelerinin ölürken sentezledikleri bir protein. Araştırmacı, programlı ölüm 1 (Programmed Death -1 ya da kısaca PD-1) diye adlandırdığı proteinin, T-hücrelerinin etkinliğini sınırlayan baika bir fren olduğunu göstermiş. Keşifle ilgilenen Amerikalı onkolog, Johns Hopkins Üniversitesi’nden Drew Pardoll da, CTLA-4’ü bloke eden antikoru ilk üreten aynı firmaya, bu kez PD-1’i bloke eden antikoru (anti PD-1) ürettirmiş, 2008’de hastalar üzerinde alınan sonuçların başarısı tıp dünyasında yankılanmış.
İmünoterapi alanında göze batan bir atılım da hastanın T-hücrelerini gen mühendisliği teknikleriyle değiştirilmesi. Bunun öncülüğünü yapan da ABD Ulusal Kanser Enstitüsü’nden Steven Rosenberg. Önce hastalardan tümör hücrelerine girmiş T-hücrelerini toplayıp bunları laboratuarda çoğaltıp hastalara yeniden nakleden araştırmacının karşılaştığı güçlük, bu tekniğin doktorlar ancak tümörlü dokuya ulaşabilirlerse işe yaraması. Bunun üzerine Rosenberg, kimerik antijen almacı terapisi (chimeric antigen receptor therapy ya da kısaca CAR therapy) diye adlandırdığı bir yöntemle T-hücrelerini tümör hücrelerini arayıp bulacak şekilde değişikliğe uğratınca çarpıcı sonuçlar elde edilmeye başlanmış.
Ancak araştırmacılar, hâlâ yokuşun sonuna gelinmiş olmadığı uyarısını da yapıyorlar. CTLA-4’ün ve anti PD-1’in başarılı sonuçlarına karşın, bunların vücutta hangi mekanizmaları kullanarak çalıştığı henüz tam aydınlatılabilmiş değil. Sonuçlar da henüz istikrarlı sayılacak noktaya gelmiş sayılmaz. Yaygın kullanım için ayrıca maliyetlerin de düşürülmesi gerekiyor (ipilimumabı üreten firma, tedavi için yeterli olan doz için 120.000 dolar fiyat çıkarmış.) Yiine de onkologlar, daha birkaç yıl önce hayal bile edilemeyecek sonuçlardan heyecan ve umuda kapılmış görünüyorlar.
Yine geleneği gereği, birinci seçilenden sonrakiler için bir derecelendirme yapmadan Science, klasmana giren öteki keşif ve ilerlemeleri de şöyle sıralıyor:
Kitlesel uygulamaya uygun genetik mikrotedavi
Bilimcileri 2013’te en çok heyecanlandıran ve hem üretici firmaların kurulmasına hem de harıl harıl yeni araştırmaların yapılmasına yol açan gelişmelerden biri de, hasarlı bir geni tamir ya da hatalı bir geni devredışı bırakmak yoluyla mevcut ya da potansiyel hastalıkların tedavisine kapı açan bir teknik. Düzenli aralıklı kısa palindromik tekrar kümeleri (CRISPR) diye adlandırılan teknoloji, adını bakterilerin “bakteriyofaj – bakteri yiyicisi” denen bir grup virüse karşı korunmak için geliştirmiş oldukları bir mekanizmanın parçası olan, tekrarlayan DNA sıralarından almış.
Bakteri, Cas9 diye adlandırılan bir proteini, virüsün genomuna uyan bir RNA dizisine bağlıyor ve bu karma yapı virüsün DNA’sını keserek etkisizleştiriyor. RNA, bir protein parçasına kıyasla laboratuarda sentezlenmesi daha kolay olan bir molekül. Dolayısıyla CRISPR, hedef DNA’yıa kitlenen RNA’nın yerini aldığı için geçtiğimiz yıllarda geliştirilen genom manipulasyonu tekniklerine kıyasla daha avantajlı. Şimdi bazı araştırmacılar Cas9 yapılarını, DNA’yı kesmek yerine “budayacak” şekilde değişime uğratmaya çalışırken, biyokimyacılar da yapılarını çıkartıp yapay olarak üretmeye yönelik çalışmalar yürütüyorlar. Başka bazı laboratuvarlar da Cas) dan daha etkili olabilecek başka Cas proteinlerinin arayışı içindeler.
Şeffaf beyinler
Beyin, nöron denen 100 milyar kadar sinir hücresiyle, bunların dışında destek hücrelerinden ve yapılarıyla işleveri henüz tam olarak bilinemeyen özel merkezlere sahip en karmaşık organımız. Beyni , manyetik rezonans ya da pozitron yayım tomografisi gibi dolaylı tarama yöntemleriyle değil de işler durumdayken optik olarak görüntülemek için daha önce geliştirilen teknikler, nöronları kırılgan hale getirdikleri için başarılı olamıyorlardı. 2013 yılında geliştirilen ve CLARITY (açıklık) adı verilen yeni bir yöntemse bu engeli de kaldırmış bulunuyor. Hücre zarlarını oluşturan ve ışığın saçılmasına yol açan lipid (yağ ) moleküllerinin saydam bir jel madde mölekülleriyle değiştirilmesini içeren teknik, tüm nöronların, öteki beyin hücrelerinin ve beynin özel yapılarının normal işleyişini aksatmıyor. Bu teknik, araştırmacıların farklı hücre tipleri, sinyal ileticileri ya da proteinlere göre hazırlanmış özel işaretleyicilerle beyin dokularını inceleyebilmelerini, sonra bunları çekip başka işaretleyicilerle başka dokuları inceleyebilmelerini sağlıyor. Araştırmacılara göre CLARITY, beynin belli bir bölgesindeki nöronların tam sayısının belirlenmesi gibi çalışmaları 100 kat hızlandıracak. Ancak teknik henüz başlangıç aşamasında. Şimdilik, fare beyninde 4 milimetre çapında bir bölgenin şeffaflaştırılması 9 gün alıyor.
En sonunda insan klonlaması…
On yılı aşan başarısızlıkların ardından araştırmacılar,insan embriyolarını klonlayarak bunları embriyonik kök hücre kaynağı olarak kullanmayı başardılar. Klonlanan hücreyle tümüyle uyuşan bir genetik yapıya sahip embriyonik kök hücreler, araştırma ve tıbbi uygulamalar alanları için güçlü bir araç. İnsan klonlamada kullanılan teknik, 17 yıl önce kuzu Dolly’nin klonlanmasında kullanılanla aynı. Somatik Hücre Çekirdek Transferi denen yöntemde, bir vücut hücresinin çekirdeği çıkarıldıktan sonra, klonlanacak bireyden alınan bir hücrenin çekirdeği, çekirdeği çıkarılmış bir yumurtaya aşılanıyor ve bir elektrik şokuyla hücre bölünmesi başlatılıyor.
Sonuçta ortaya çıkan birey, oriinal vücut hücresinin alınmış olduğu bireyle tıpatıp aynı genetik yapıya sahip oluyor. Bu teknikle şimdiye kadar birçok türden hayvanın klonlanmış olmasına karşılık, insan klonlama çalışmaları başarısız kalmış ve ancak embriyonik kök hücreler üretemeyen birkaç düşük kaliteli embriyo elde edilebilmişti. Sonunda, 2007 yılında Amerikalı araştırmacılar Oregon Ulusal Primat Araştırmaları Merkezi’nde maymun klonlayıp bunlardan embriyonik kök hücreler elde etmeyi başarmışlardı. Bu deneylerde elde edilen bulguları değerlendiren Oregon araştırmacıları nihayet 2013’te embriyonik kök hücre sağlanabilen insan embriyoları klonladıklarını açıkladılar.
Ancak, başarının önemi, ilk insan klonlama girişimlerinden bu yana geçen zaman içinde gelen bir başka başarıyla gölgelenmiş durumda. 2007 yılında gen mühendisliği araştırmacıları, insan yumurtalarına ve embriyolara gerek kalmaksızın da vücut hücrelerini yeniden programlayarak “yönlendirilmiş çok yetili kök hücreler” (induced pluripotent stem cells – iPSC) denen ve istene vücut hücresine dönüştürülebilen kök hücreler ürettiler. Yumurtadan hücre transferi yöntemiyle klonlama yönteminin yaygın uygulama kazanıp kazanmayacağı, bunlardan elde edilen embriyonik kök hücrelerin iPSC’lerle karşılaştırılmasından sonra belli olacak. Bu arada insan klonlamanın gerçekleştirildiği Oregon Sağlık ve Bilim Üniversitesi araştırmacıları, yöntemin karşıtları ve bilimkurgu düşkünlerinin gündeminden düşmeyen “klon bebekler” endişesinin en azından şimdilik söz konusu olmadığını belirtiyorlar. Araştırmacılar, yüzlerce kez denenmesine karşın, klonlanmış maymun embriyolarından hiçbirinin nakledilen dişilerde hamileliğe yol açmadığına işaret ediyorlar.
Laboratuvar çanağında mini organlar
Kök hücrelerin çokyetili olanları çeşitli vücut hücrelerine dönüşme yeteneğine sahipler; ama kendi başlarına bırakıldığında rastgele biçimde kalp hücrelerinden tutun nöronlara, diş hücrelerinden saç hücrelerine kadar çeşitli vücut hücrelerine dönüşüyorlar. Şimdiye kadar bu sürece müdahale ederekkök hücreleri istenen vücut hücrelerine dönüştürme çabaları güçlüklerle karşılaşıyordu Bu nedenle Science editörleri, 2013 yılının en önemli bilimsel başarılarından biri olarak yönlendirilmiş çokyetili kök hücrelerle (iPSC) laboratuar çanaklarında “mini beyinler” olarak nitelendirilebilecek, salt beyin dokusunun ötesinde beynin bazı bölümlerinin özelliklerini taşıyan yapılar üretilmesini seçtiler. Madeline Lancaster yönetiminde uluslararası bir bilimciler ekibi Avusturya Bilimler Akademisi Moleküler Biyoteknoloji Enstitüsü’nde iPSC’leri petri çanakları içinde önce sinir sistemi zarlarına dönüştürmüşler. Ancak bu hücrelerin doku oluşturmak üzere kümeleşmemelri üzerine araştırmacılar, bunları matrigel denen bir jel maddeden oluşan kürecikler içine alarak kümelenip üç boyutlu olarak gelişmelerini sağlamışlar. Besinlerin içlerine girebilmesi için bunları bir biyoreaktör içinde 8-10 gün süreyle döndüren araştırmacılar, iki ay sonunda bunların maksimum 4 mm boyuta eriştiklerini ve birbirlerini etkileyen, beyin dokularına özgü özellikler taşıyan beyin kabuğu (korteks), ön alın lobu, orta ve arka beyin, hipokampus gibi farklı bölgelere sahip olduklarını belirlemişler. (Bkz: Kurious: “Laboratuvar çanağında beyin”.)
Gökyüzünde hiper CERNler
Dünyamız gökyüzünden yağmur gibi yağan parçacıkların bombardımanı altında. “Kozmik ışınlar” denen bu parçacıklar büyük ölçüde protonlardan ve bazı atom çekirdeklerinden oluşuyor. Ancak, bunların içlerinde araştırmacılara onyıllardır bir açıklama aratan muazzam enerji düzeylerinde olanlar var. Kozmik ışın araştırmacıları, bunların süpernova patlamalarının yıldızlararası ortamda yarattığı şok dalgaları içinde güçlü manyetik alanlarca, tıpkı CERN’deki LHC gibi halkasal parçacık hızlandırıcılarında olduğu gibi döndürülerek , CERN’dekilerin yüzlerce kat enerji düzeylerine yükseltildiğini düşünüyorlar, ancak kanıtını ortaya koyamıyorlardı. Nedeni, bu muazzam enerji düzeylerini kazandıktan sonra uzaya saçılan artı elektrik yüklü parçacıkların, uzayda düz bir çizgi boyunca ilerlemeyip, güçlü manyetik alanlarca yollarından saptırılması ve dolayısıyla araştırmacıların kaynağı belirlemelerini engellemesi.
Aranan kanıt nihayet 2013 yılında Dünya yörüngesindeki Fermi Gama Işın Teleskopu sayesinde geldi. Süpernovanın şok cephesi içinde protonlar seyrek ortamda birbirlerine çarpmadan dolanarak hız ve enerji kazanırken, aralarından az sayıda bazıları da çarpışarak “pi sıfır” diye adlandırılan çok kısa ömürlüparçacıkları üretirler. Bunlar da hızla bozunarak yüksek enerjili fotonlara dönüşürler. Fermi teleskopunun verileriniinceleyen araştırmacılar, iki süpernova patlamasında, kuramda öngörülen özelliklere sahip fotonları yakalamışlar. Higgs parçacığının keşfi sayesinde spot ısıklarının keyfini çıkaran CERN kadar medyatik olamadılarsa da gökyüzündeki parçacık hızlandırıcıları da güçlerini göstermiş oldular.
Güneş enerjisi için süper malzeme
Fosil kaynakların tükenmeye yüz tutması nedeniyle üzerlerinde giderek daha fazla odaklanılan alternatif ve temiz enerji kaynakları arasında güneş enerjisi başı çekiyor. Sınırsız bir kaynak olması ve hiçbir zararlı atık ürün yaratmamasına karşın güneş enerjisinden yaygın olarak yararlanılamamasının başlıca nedeni, bu enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren malzemelerin sınırlı verimleri. Şimdiye kadar fotovoltaik güneş hücreleri için temel olarak iki tür malzemeden yararlanılmaktaydı. İnce ve esnek bir plastik taban üzerine güneş enerisini emen kimyasalların püskürtülmesiyle üretilen “organik güneş hücreleri” ve yarıiletken tabakalar üzerinde oluşturulan “silikon temelli güneş hücreleri”. 2013 yılında keşfedilen yeni bir yöntemse, alanda devrim yaratacak ve güneş enerisi kullanımının yaygınlaşmasına ivme kazandıracak nitelikte. Yöntem, perovskit adı verilen, ve lazer kullanımlarına bile izin verecek düzgünlükte kristal yapıya sahip olan malzemenin güneş hücrelerinde kullanılması.
Organik güneş hücrelerinin yüzde 3.8’e kadar olan verimi, perovskitte yüzde 15’e çıkıyor. Gerçi perovskit tabanlı hücrelerin verimi, silikon tabanllıların yüzde 20, hatta yüzde 25’e kadar ulaşan verimlerinin gerisinde kalıyor; ama çekiciliği üretiminin basitliği ve ucuzluğunda. Silikon temelli fotovoltaik hücreler için gerekli yarıiletken malzemeyi gereken saflıkta üretebilmek, yüksek sıcaklıkları ve pahalı nanoteknoloji üretim teknikleri gerektiriyor. Oysa perovskitler, belli bazı malzemelerin bir çözeltide eritildikten sonra bir yüzey üzerine püskürtülmesiyle basit ve hızlı bir şekilde üretiliyorlar. Bu arada perovskitlerin bir özelliği de Güneş ışınlarının yüksek enerjili yeşil ve mavi dalgaboylarını soğurması. Silikon temelli hücrelerse daha uzun (ve düşük enerjili) kırmızı ve kızılaltı dalga boylarını soğuruyor. Dolayısıyla perovskitlerin, silikon temelli hücrelerin üzerine yerleştirilmesiyle soğurma yelpazesi genişliyor ve verim yüzde 30’lara kadar çıkıyor. Ancak, güneş enerjisine hücumun gerçekleşmesinden önce, araştırmacıların perovskitlerin hava ve suyla temas edince bozulmasını ve halen mevcut türlerindeki kurşun içeriğinin çevreye yayılmasını önleyecek önleyecek yalıtım yöntemleri geliştirmeleri gerekiyor.
Uyku beyni arıtıyor
Uykunun en temel işlevinin ortaya çıkarılması da Science editörleri tarafından yılın en önemli buluşları arasında sayıldı. Uykunun, bağışıklık sistemini güçlendirmesi ve anıların sabitlenmesi gibi işlevleri uzun zamandır bilinmekle birlikte, bilimciler uykunun bu karmaşık organla olan daha derin bir ilişkisi olması gerektiğini düşünmekyeydiler. Arayış nihayet 2013 yılında semeresini verdi ve uykunun asıl işlevinin beyni çöplerinden temizlemek olduğu ortaya çıktı. Araştırmacılar beyinde bir drenaj sisteminin varlığını belirlediler. Bu sistemi oluşturan ve beyin-omurilik sıvısıyla dolu kanallar uyku sırasında yüzde 60 oranında genişliyor ve sıvının yükselen debisi, nöronlara yapışarak Alzheimer gibi hastalıklara yol açan plakalar oluşturan beta-amiloid gibi metabolizma atıklarını alıp götürüyor. Bu keşfe kadar araştırmacılar, beynin atıklardan temizlenmesinin tek yolunun bunların hücre içinde parçalanarak kullanılabilir malzemeye dönüştürülmesi olduğunu düşünüyorlardı.
İnsan vücudundaki hücre sayısı konusunda bilimcilerin üzerinde anlaşmaya vardıkları bir sayı yok. Tahminler, 10 trilyondan 100 trilyona kadar değişiyor. Her bir hücrenin içindeki kalıtım şifremiz üzerinde yer alan ve bize yaşamımız için gereken ve bize özelliklerimizi kazandıran, eğilimlerimizi belirleyen genlerimizin sayısı da 20.000-25.000 kadar. Ancak bir de vücudumuzda taşıdığımız ve en az kendi hücrelerimiz kadar kalabalık misafirlerimiz var. Araştırmacılar vücudumuzda 3 milyon farklı gene sahip 100 trilyon kadar mikrop taşıdığımızı tahmin ediyorlar. Bu mikropların da çeşitli hastalıklar ve eğilimlerimizde, genlerimiz kadar etkili oldukları, 2013 yılında yapılan birçok keşifle ortaya çıkarıldı.
Yapı biyolojisiyle ölümcül hastalıklara aşılar
Yapı biyolojisi, canlı organizmaları meydana getiren molekülleri atom düzeyine yakın çözünürlükte inceleyen bir bilim alanı. Araştırmacılar, bu alandaki çalışmalarla hastalık yapıcı virüslerin zayıf noktalarını hedef alana antikorlar üreterek aşı geliştirmek için önemli adımlar attılar. Bunlardan bir tanesi her yıl milyonlarca çocuğun zatürree ve öteki solunum yolu hastalıklarına, şiddetli alerjilere ve astıma yakalanmasına yol açıp 160.000’inin ölümüne yol açan solunum sensitilyel virüsü (Resbiratory Syncytial Virus – RSV.) Araştırmacılar virüsün yüzeyinde enfeksiyon sürecinde hücreye yapışmak için kullandığı F adı verilen bir protein belirlediler ve bu yapıyı hedef alarak etkisizleştiren bir antikor geliştirdiler. F proteinin özelliği bir sustalı çakı gibi yay mekanizmasına sahip olması. Hücreye yapışana kadar kasılmış durumda bekliyor ve yapıştıktan sonra yay serbest kalarak protein hücre zarını delerek hastalığı bulaştırıyor. Virüsün en zayıf durumu, F proteinin henüz açılmamış, yayı gerili bekleyen ve kolayca görülebilen hali.
Yapı biyologları, F proteinini ve işleyiş mekanizmasını belirledikten sonra, vücudun bağışıklık sistemine virüsün zayıf noktasını öğretmenin en iyi yolunun, proteinin kasılı halini içeren bir aşı geliştirmek olduğunu düşünerek, F proteininin bu biçimini oluşturarak yaptıkları aşıyı hayvanlarda denemişler ve olumlu sonuçlarını derhal almışlar. Aşının 18 ay içinde insanlar için de kullanılabileceği belirtiliyor. 2013 yılında benzer bir strateji AIDS hastalığına yol açan HIV virüsü için de araştırılmaya başlanmış. Bilimciler insan bağışıklık sistemini atlatmakta hüner kazanmış hepatit C, deng ateşi, Batı Nil Virüsü gibi patojenleri de aynı yöntemle altedebilmeyi umuyorlar.