Bilim adamları, insan nöron kümelerini yeni doğmuş farelerin beyinlerine başarılı bir şekilde naklettiler; bu, otizm gibi nörolojik durumlar için daha gerçekçi modeller sağlayabilecek ve yaralı beyinleri onarmanın bir yolu olarak hizmet edebilecek, biyolojik mühendisliğin çarpıcı bir başarısı.
Çarşamba günü yayınlanan bir çalışmada, Stanford’dan araştırmacılar, “organoidler” olarak bilinen insan hücre kümelerinin milyonlarca yeni nörona dönüştüğünü ve kendilerini yeni sinir sistemlerine bağladıklarını bildirdi. Organoidler farelerin beyinlerine takıldığında, hayvanlar bıyıklarından duyusal sinyaller alabiliyor ve hareketlerini yönlendirmek için komut sinyalleri üretmeye yardımcı olabiliyordu.
Araştırmayı yöneten sinirbilimci Dr. Sergiu Pasca, kendisinin ve meslektaşlarının artık nakledilen nöronları otizm, şizofreni ve diğer gelişimsel bozuklukların altında yatan biyolojiyi öğrenmek için kullandıklarını söyledi.
Dr. Pasca, “Bu koşulların biyolojisini gerçekten ele almak istiyorsak, insan beyninin daha karmaşık modellerine ihtiyacımız olacak” dedi.
2009 yılında, Romanya’da tıp eğitimi aldıktan sonra Dr. Pasca, bir tabakta insan nöronlarının nasıl oluşturulacağını öğrenmek için doktora sonrası araştırmacı olarak Stanford’a katıldı. O ve meslektaşları, gönüllülerden deri hücreleri aldılar ve karakterlerini değiştirmelerine neden olan kimyasallarla yıkadılar. Artık vücuttaki herhangi bir dokuya dönüşebilen embriyo hücreleri gibiydiler.
Daha fazla kimyasalın eklenmesiyle, araştırmacılar hücreleri nöronlara dönüşmeye ikna ettiler. Daha sonra, nöronlar bir tabakta uzanırken boyuna voltaj darbelerinin düştüğünü gözlemleyebildiler.
Dr. Pasca ve meslektaşları, aynı deneyi bu kez ciddi kalp sorunlarının yanı sıra dil ve sosyal becerilerde bozulmaya yol açan tek bir mutasyonun neden olduğu nadir bir otizm türü olan Timothy sendromlu insanlardan alınan deri hücrelerini kullanarak tekrar gerçekleştirdiler.
Timothy sendromu nöronlarını bir tabakta büyüten Dr. Pasca, bunlarla tipik nöronlar arasında bir takım farklılıklar görebildi. Örneğin, dopamin gibi ekstra miktarda sinyal kimyasalları ürettiler.
Ancak tek hücrelerin incelenmesi, durumla ilgili yalnızca sınırlı sayıda ipucu ortaya çıkarabilir. Dr. Pasca, beyin organoidleri adı verilen devrelerde bir araya gelen binlerce nöronu inceleyerek daha fazlasını öğrenebileceğinden şüpheleniyordu.
Yeni bir kimyasal tarif, Dr. Pasca’nın gelişmekte olan beynin içindeki durumu taklit etmesine izin verdi. Bu et suyunda yıkanan deri hücreleri, beynin korteks adı verilen dış katmanlarında bulunan sinir düğümleri haline gelen progenitör beyin hücrelerine dönüştü.
Daha sonraki bir çalışmada, o ve meslektaşları üç organoidi birbirine bağladılar: biri korteksten, diğeri omurilikten ve üçte biri kas hücrelerinden yapıldı. Korteks organoidinin uyarılması, kas hücrelerinin kasılmasına neden oldu.
İnsan kortikal organoidini parlak yeşil renkte gösteren bir sıçan beyni dilimi. Kredi… Pasca Laboratuvarı, Stanford Üniversitesi
Ancak organoidler minyatür beyinler olmaktan uzaktır. Birincisi, nöronları bodur kalır. İkincisi, canlı bir beyindeki sıradan nöronlar kadar elektriksel olarak aktif değiller. Dr. Pasca, “Bu modellerde bir takım sınırlamalar olduğu açık,” dedi.
Bilim adamları, bir petri kabının bir organoidin gelişimini sınırladığını teorileştirerek canlı beyinlere organoidler yerleştirmeye başladılar. 2018’de sinirbilimci Fred Gage ve Salk Biyolojik Araştırmalar Enstitüsü’ndeki meslektaşları, insan beyni organoidlerini yetişkin farelerin beyinlerine naklettiler. İnsan nöronları, fare beyni onları kan damarlarıyla destekledikçe olgunlaşmaya devam etti.
O zamandan beri, Dr. Gage ve diğer araştırmacılar, farelerin gözlerinden gelen sinyalleri algıladıkları beynin arkasına organoidler yerleştirdiler. Hayvanlar beyaz ışığın yanıp söndüğünü gördüklerinde, insan-organoid nöronları, Haziran ayında çevrimiçi olarak yayınlanan ve henüz hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir araştırmaya göre, farenin kendi hücrelerinin yaptığı gibi tepki verdi.
Dr. Pasca ve ekibi organoid nakiller üzerinde de çalışıyorlardı ama onları yetişkinler yerine genç kemirgenlere yerleştirmeyi seçtiler. Bir fare doğduktan bir veya iki gün sonra, bilim adamları beynin somatosensoriyel korteks adı verilen ve vücudun her yerinden gelen dokunma, ağrı ve diğer sinyalleri işleyen bir bölgesine haşhaş tohumu büyüklüğünde bir organoid enjekte ettiler. Sıçanlarda, bölge özellikle bıyıklarından gelen sinyallere karşı hassastır.
İnsan nöronları, fare beyninde, yaklaşık üç milyona ulaşana kadar çoğaldı ve fare beyninin bir tarafındaki korteksin yaklaşık üçte birini oluşturdu. Organoiddeki her hücre, bir petri kabındakinden altı kat daha uzun büyüdü. Hücreler ayrıca insan beynindeki nöronlar kadar aktif hale geldi.
Daha da çarpıcı bir şekilde, insan organoidleri kendilerini fare beynine kendiliğinden bağladılar. Sadece yakındaki nöronlara değil, uzaktakilere de bağlandılar.
Bu bağlantılar, insan nöronlarını farenin duyularına duyarlı hale getirdi. Araştırmacılar farenin bıyıklarına hava üflediğinde, farenin insan organoidi yanıt olarak çıtırdadı.
Dr. Pasca ve meslektaşları ayrıca organoidlerin farelerin davranışlarını nasıl etkilediğini görmek için odalarında bir su çeşmesi kullanarak deneyler yaptılar.
15 günlük eğitimden sonra fareler, organoidleri uyarıldığında çeşmeden su içebileceklerini öğrendiler. Görünüşe göre insan organoidleri, farelerin beyinlerinin ödül arayan bölgelerine mesajlar gönderiyorlardı.
Bu tür harmanlama deneyleri, kışkırtıcı etik soruları gündeme getiriyor. Çalışmaya başlamadan önce Dr. Pasca, Stanford’daki Hukuk ve Biyolojik Bilimler Merkezi’ndeki uzmanlara danıştı ve onlar da onu hayvanların acısına ve iyiliğine özel ilgi göstermeye çağırdı.
Stanford hukuk profesörü Henry Greely, “Sadece bir kafeste kaç fare olduğu veya ne kadar iyi beslendikleri konusunda endişelenmiyorsunuz” dedi. “Bu yeni bir tür şey. Ne görebileceğini bilmiyorsun.”
Dr. Pasca’nın ekibi, farelerin acı çektiğine, nöbet geçirmeye yatkın hale geldiğine veya hafıza veya hareketlerinin kontrolünü kaybettiğine dair hiçbir kanıt bulamadı. Pasca, “Farelerin insan naklini gerçekten iyi tolere ettiği ortaya çıktı,” dedi.
Yeni çalışmada yer almayan Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden bir nörobiyolog olan Giorgia Quadrato, insan organoidlerinin fareleri daha insan yapmadığına dikkat çekti. Örneğin, öğrenme testlerinde diğer farelerden daha iyi puan alamadı.
Quadrato, “Onlar fare ve fare olarak kalıyorlar,” dedi. “Bu, etik açıdan güven verici olmalı.”
Ancak bilim adamları, maymun veya şempanze gibi insanların yakın bir akrabasına insan organoidleri koyarlarsa bu doğru olmayabilir. “Gelecekte doğru etik çerçevede faaliyet gösterecek yönergeler belirlemek için iyi bir fırsat olacaktır” dedi.
Dr. Pasca, primatlar ve insanlar arasındaki benzerliğin, organoidlerin daha fazla büyümesini ve hayvanın zihinsel süreçlerinde daha büyük bir rol üstlenmesini sağlayabileceğini söyledi. “Yapacağımız veya yapmayı teşvik edeceğimiz bir şey değil” dedi.
Bunun yerine, nörolojik bozuklukları incelemek için implante organoidleri kullanıyor. Bir deneyde Dr. Pasca’nın ekibi, Timothy sendromlu bir hastadan alınan bir organoidi bir farenin beyninin bir tarafına, diğer tarafına mutasyona uğramamış başka bir organoidi yerleştirdi.
Her iki organoid de sıçanlarda büyüdü. Ancak Timothy sendromu nöronları, gelen sinyalleri almak için dendrit adı verilen iki kat daha fazla dal geliştirdi. Dahası, dendritler daha kısaydı.
Dr. Pasca, otizmli ve diğer nörolojik rahatsızlıkları olan insanlardan beyin organoidleri taşıyan farelerin davranış biçimlerindeki farklılıkları gözlemleyebileceğini umuyor. Bu tür deneyler, belirli mutasyonların beynin çalışma şeklini nasıl değiştirdiğini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.
Araştırmaya dahil olmayan Pennsylvania Üniversitesi’nde beyin cerrahı ve organoid araştırmacısı olan Dr. Isaac Chen, yeni çalışmada başka bir olasılık gördü: insan beynindeki yaralanmaların onarımı.
Dr. Chen, korteksi hasar görmüş bir hastanın derisinden beyin organoidlerinin büyüdüğünü tasavvur etti. Evvel hastanın beynine enjekte edildiğinde, organoid büyüyebilir ve sağlıklı nöronlarla bağlantı kurabilir.
“Bu fikir kesinlikle var,” dedi. “Bu sadece bir mesele, bundan nasıl yararlanırız ve onu bir sonraki seviyeye taşırız?”