Çanakta Beyin


Raşit Gürdilek

Uluslararası bir araştırmacılar ekibi, Viyana’daki bir araştırnma laboratuarı’nda petri çanakları içinde embriyo kök hücrelerinden beynin bazı önemli dokularını içeren üçboyutlu mini organizmalar geliştirdi.

Ekibi yöneten gelişim genetikçisi Madeline Lancaster ve arkadaşları, Nature dergisinin 28  Ağustos 2013 tarihli online sayısında yayımlanan makalelerinde “beyin organsıları” diye adlandırdıkları elma çekirdeği boyutlarındaki karmaşık dokularla, biraz dış destekle gelişme sürecindeki  insan hücrelerinin kendi kendilerine örgütlenme becerilerini dramatik bir biçimde gösterdiler. Araştırmacılar ayrıca bu yapılarla insan beyninin gelişme sürecinde meydana gelebilecek aksaklıkları n da  (bu örnekte mikrosefali denen yetersiz gelişmiş beyin ve küçük kafa) ortaya çıkış nedenlerinin araştırılabileceğini de ortaya koydular.

Viyana’daki Avusturya Bilimler Akademisi Moleküler Biyoteknoloji Enstitüsü’nde gelişim genetikçisi Jürgen Knoblich’in laboratuvarında doktora sonrası araştırmalar yürüten Lancaster ve ekibi, çalışmayı “yönlendirilmiş  pluripotent kök hücreler” denen,belli bir işlev için farklılaşmış  vücut hücrelerinin gelişim süreçlerinin tersine çevrilerek yeniden her tür doku hücresine dönüşebilecek kök hücreler haline getirilmiş hücrelerle yapmışlar.

Bir “beyin organsısı”nın kesitinde sinir kök hücreleri (kırmızı) ve nöronlar (yeşil) görünüyor (üstte). Bir başka organsıda gelişen retina dokusu (üstte)

Bu hücrelerin, gelişme koşullarının iyileştirilmesiyle kendi kendilerine örgütlenebilme kapasitelerinden yola çıkan araştırmacılar, önce petri çanakları içinde yetiştirilen bu hücrelerin ortamına müdahaleyle ektoderm denen ve embriyo gelişiminin en erken aşamalarında tohum (cinsiyet) hücrelerinin en dış katmanı olan ve başta sinir sistemi (omurilik, sinirler ve beyin) olmak üzere deri ağız ve burun zarlarına başkalaşan katmanları edinmeye yönlendirmişler.  Ardından, bu embriyonel yapıların üç boyutlu gelişimlerini sağlamak için bunları matrigel denen, jelatinimsi bir besi maddesinin damlacıkları içine gömmüşler ve bunları da besinlerin organizmaların içine nüfuz edebilmeleri için dönen bir biyoreaktörün içine yerleştirmişler. 8-10 gün içinde ilk sinir hücresi işaretleri, 20-30 gün içinde de belirgin beyin bölgelerine özgü oluşumlar ortaya çıkmış. İki ay içinde maksimum boyuta (4 mm) erişen ve karmaşık, birbirini etkileme yetisine sahip görünen farklılaşmış dokulardan oluşan “beyin organsıları”nın, dönen biyoreaktör içinde sürekli yaşayabildikleri gözlenmiş (en eskileri 10 aydır hayatta). 

Kök hücreler, son 30 yıl içinde tıbbın ve genetiğin odak noktasına yerleşmiş  olan ve tıbbın şimdiye kadar çare bulamadığı hastalıkların iyileştirilmesinde ve doku mühendisliği uygulamalarında büyük umutlar vadeden hücreler. Onları bu kadar değerli kılan, vücudun her hücresine dönüşebilme yetenekleri. Farklı kök hücreler, bu yeteneğin farklı derecelerine sahipler. En yeteneklileri (totipotent-heryetili), döllenen yumurtanın embriyo aşamasındaki farklılaşmamış (ör: kan, beyin, kalp, deri ya da saç hücreleri olma yoluna henüz girmemiş) hücreleri olan “embriyonik kök hücreler” (alttaki resim) Döllenmiş yumurtanın gelişim sürecinin ilk dört günü içinde çoğalan hücreler totipotent. Bunlardan biri rahme yerleştirilince tüm bir insan organizmasını oluşturabiliyorlar.  Dördüncü günün ardından embriyoda iki katman oluşuyor. Üstteki, plasenta’yı oluştururken, altta hemen her vücut dokusuna dönüşecek bir hücre yığını bulunuyor. Ancak bunlar tek başlarına tüm bir organizmayı oluşturamıyorlar. Ayrıca, vücut dokularını, dış katman olmadan oluşturamadıkları için totipotent sayılmıyorlar ve bunlara pluripotent (çok yetili) deniyor.  çoğalmaya devam eden hücreler farklılaşmaya başladıktan sonra bunların başka hücrelere dönüşme yetisi azalıyor  ve ancak aynı dokunun farklı birimlerine dönüşebiliyorlar. Örneğin, kan hücreleri, alyuvarlar, akyuvarlar ve pıhtı pulcuklarına; beyin hücreleri, sinir hücrelerine (nöron) ve destek hücrelerine dönüşebiliyorlar. Bunlara multipotent (birkaç yetili) kök hücre deniyor. Nihayet dokular oluştuktan sonra da her dokuda kendini koyalayabilen ve bir yedekparça   malzeme deposu işlevi gören ve yalnızca o dokunun hücrelerine dönüşebilen (unipotent- tek yetili) bir kök hücre stoku  bulunuyor. Bunlara yetişkin kök hücre deniyor. Ancak son yıllarda geliştirilen tekniklerle farklılaşmış vücut hücreleri de (Ör: mide, karaciğer, deri ve kan) yalnızca dört genin faaliyeti artırılarak  yeniden pluripotent kök hücrelere dönüştürülebiliyor. Bunlara da indüklenmiş (yönlendirilmiş) kök hücreler (induced pluripotent stem cells) ya da kısaca iPSC deniyor.

Önemli olarak, araştırmacılar, çeşitli boyalar ve biyoişaretçiler kullanarak bu küçük organizmaların üzerinde ve içlerinde serebral korteks (beynin nöronların en yoğun olduğu üst tabakası  ya da beyin kabuğu) , omurilik ve beyin sıvısını üreten koroid pleksus, gözlerin ışığı algılayan retina tabakasına, üç katlı beyin ve omurilik koruyucu zarına (meninges) özgü yapılar belirlemişler.  Ayrıca, 16 günlük gelişimin sonunda organsıların beynin alın lobuna, orta ve arka bölümlerini ve hipokampus gibi bilişsel işlevlerle ilgili bölümlerine benzer yapılar oluşturduğunu gözlemlemişler. Önemli bir bulgu da, tıpkı insan beyninin gelişim sürecinde olduğu gibi hücrelerin, organsıların iç bölgelerinden kabuğa doğru göç etme eğilimi göstermeleri.

Nöronlar arasında sinaps bağlantıları (üst solda) ve bir nöronun  mikroskop  görüntüsü (üst sağ).

İnsan beyninde  100 milyar kadar sinir hücresi (nöron), bir o kadar da destek hücresi (glia) bulunduğu düşünülüyor. Nöronlar elektriksel olarak uyarılabilen ve (son derece karmaşık) elekrokimyasal süreçlerle birbirleriyle bilgi alışverişi yapan hücreler olarak tanımlanıyor.  Öteki  vücut hücrelerinin aksine, nöronlar bölünüp çoğalmıyorlar. Kısa süre öncesine kadar nöron sayısının ceninde tamamlandığı ve doğumdan sonra hiç artmadığı sanılıyordu; ancak yeni araştırmalar doğumdan sonra da,  hatta yetişkinlerde bile sınırlı sayıda da olsa yeni nöron üretiminin varlığını ortaya koyuyor.  Her nöron,  “soma” denen toparlak  bir gövde,  bundan dışarı uzanan ve gövdenin binlerce kat uzunluğuna ulaşabilen “akson” adlı, myelin denen koruyucu kılıf dizileriyle sarılmış  tek bir kol ve “dendrit” denen  lifsi saçaklardan  oluşuyor  Bir nöron, sinyalini akson üzerinden bağlandığı öteki nöronların dendritlerine sinaps denen bağlantı noktaları aracılığıyla iletiyor. Sinaps, aslında 20 nanometre genişliğinde bir boşluk.  (1 nanometre metrenin milyarda biri, ya da milimetrenin milyonda biri). Elektrik atımı geldiğinde,  aksonun sonundaki  saçakların uçlarındaki keseciklerin içinde bulunan kimyasallar (sinyal iletim molekülleri – neurotransmitter) , bu açıklıktan öteki nöronun ve dendritlerinin üzerinde bulunan almaçların üzerine atlıyor. Her bir nöron, bu mekanizmayla  dendritler üzerinden 10.000 kadar başka nöronla sayılarının 100 trilyon ile 1 katrilyon arasında olduğu  tahmin edilen sinaps bağlantısı aracılığıyla eketrokimyasal sinyal iletişimi içinde bulunuyor.

Ancak, organsılarda bir besi ve oksijen dolaşımı sistemi (damarlar) olmadığı için gelişmenin dört ay içinde durduğu, yeni yapıların oluşmadığı ve iç bölgelerde yoğun hücre ölümü meydana geldiği görülmüş. Lancaster, bu organsıların beyin gelişim patolojisinin incelenmesi için de bir model oluşturabileceği görüşünde. Çünkü hayvanların beyinleri bu amaç için pek uygun değil. Örneğin, farelerde mikrosefali nedeniyle küçülmüş beyin ile norml beyin arasındaki fark çok küçük. Dolayısıyla Lancaster ve ekibi, bir mikrosefali hastasından aldıkları hücrelerden dönüştürdükleri yönlendirilmiş pluripotent kök hücrelerle çalışmışlar. Organsıların, patoloji modellemeleri için uygunluğunu gösteren ilginç bir bulgu, hastadan alınan kök hücrelerin oluşturduğu  organsıların da diğerlerinden küçük olması.  Organsılar, bu patolojiyle ilgili ilk açılımı sağlamışlar bile: Bazı öncül hücreler (tek ya da birbirleriyle yakından ilişkili sınırlı sayıda hücreye dönüşme potansiyeli taşıyan hücreler) normalden daha hızlı olgunlaşıyor (yetişkin hücre oluyor) ve doku gelişmesini  durduruyor.

Yine de Viyana araştırmacılarına göre organsılar, sinir gelişimiyle ilgili şizofreni ya da otizm gibi daha karmaşık olguların incelenmesi  için en azından şimdilik uygun değiller. Çünkü sözkonusu olguların incelenmesi daha olgunlaşmış hücreleri ve hücreler arasında karmaşık bağlantıları gerektiryor. Ayrıca Lancaster’ın organsılarıonın her biri farklı bir biçimde geliştiğinden, bileşimleri ve yapıları arasında ortaya çıkan önemli farklar bunların kontrollü deneylerde kullanılmasını güçleştiriyor.

Araştırmacılar şimdi de birbirleriyle daha tutarlı organsılar yetiştirmenin ve hücre kümelerinin daha da büyüyüp gelişebilmesi  için organsıların içine bir tür damar sistemi yerleştirmenin yollarını arıyorlar. 

KAYNAKLAR

  • 1. “Cerebral organoids model human brain development and microcephaly”, Nature Online 28 Ağustos, 2013
  • 2. Lab Dishes Up Mini – Brains, Science, 30 Ağustos 2013
  • 3. http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2002_Groups/pancstems/stemcell/stemcellsclassversatility.htm
  • 4. http://www.human-memory.net/brain_neurons.html
  • 5. http://en.wikipedia.org/wiki/Stem_cell