Bilim İnsanları İlk Tamamen Sentetik Beyin Dokusunu Geliştirdi

UC Riverside ekibi, hayvan kaynaklı bileşenler içermeyen beyin benzeri bir doku geliştirdi

Laboratuvarların beyni inceleme yöntemini yeniden şekillendirebilecek bir gelişmeyle, University of California, Riverside araştırmacıları, tamamen sentetik materyallerden yapılmış bir iskele üzerinde işlevsel, beyin benzeri bir doku yetiştirdiklerini bildirdi. Çalışma, yaygın olarak kullanılan hayvan kaynaklı kaplamaların ve hücre dışı matris özütlerinin yerine, fiziksel mimarisi tek başına insan donör hücrelerini nöral ağlar oluşturmaya yönlendiren, kimyasal olarak nötr bir polimer kullanıyor. Bu yaklaşım, nörolojik testleri daha kontrol edilebilir, daha uzun ömürlü ve hayvan modellerine daha az bağımlı hale getirmeyi amaçlıyor.

İskele nasıl üretiliyor?

Ekip iskeleyi, hücre yapışmasına karşı normalde inert olan, yaygın olarak kullanılan ve biyolojik olarak uyumlu bir polimer olan polietilen glikolden (PEG) inşa etti. Genellikle hayvan dokularından elde edilen standart takviyeler olan laminin veya fibrin gibi biyolojik ligandlar eklemek yerine, araştırmacılar PEG'i yüksek dokulu, birbirine bağlı gözenekli bir labirent şeklinde yeniden biçimlendirdi. Gözeneklere ekilen hücreler oksijene ve besinlere erişebiliyor ve en önemlisi, olgunlaştıklarında elektriksel olarak iletişim kuran beyin benzeri kümeler halinde organize olabiliyorlar.

Bu gözenekli mikro mimariyi oluşturmak için grup, akış tabanlı bir üretim aşaması kullandı: Su, etanol ve PEG çözeltileri iç içe geçmiş cam kılcal borulardan pompalandı, böylece karışım dış bir su akımıyla temas ettiğinde fazlarına ayrıldı. Ardından bir ışık patlaması, ayrılan yapıyı yerinde sabitleyerek donör nöral hücrelerin ekilebileceği kararlı, yüksek derecede gözenekli bir iskele üretti. Araştırmacılar, hücrelerin biyolojik kaplamalara değil, bu kontrollü fiziksel yapıya tepki verdiğini belirtiyor.

Sentetik yöntem neden önemli?

Mevcut üç boyutlu nöral kültür platformlarının çoğu, kimyasal olarak karmaşık olan, partiler arasında değişkenlik gösteren ve genellikle hayvan kaynaklı olan bazal membran preparatları gibi biyolojik özütlere dayanmaktadır. Bu değişkenler, deneylerin tekrarlanmasını zorlaştırıyor ve bulguların insan tıbbına aktarılmasını karmaşıklaştırıyor. Buna karşılık, PEG kimyasal olarak iyi tanımlanmıştır ve immünojenik değildir; bu nedenle ondan inşa edilen iskeleler tutarlı bir bileşim ve mekanik özelliklerle üretilebilir ve mikro mimari uygun şekilde optimize edildiğinde hücre büyümesini desteklemek için hayvan kaynaklı takviyeler gerektirmez. Bu materyal özellikleri, PEG hidrojellerini yıllardır sinir dokusu mühendisliğinde temel bir araç haline getirmiştir; yeni çalışma, PEG'in iç geometrisini uyarlayarak onu sadece izin verici değil, aynı zamanda nöral organizasyon için yönlendirici hale getirmenin bir yolunu gösteriyor.

Diğer beyin modelleri arasındaki yeri

Son birkaç yıl içinde laboratuvarlar, duyusal sinyalleri ileten devreleri yeniden üretmek de dahil olmak üzere, beyin bölgelerinin ve yollarının yönlerini modelleyebilen, insan kök hücresinden türetilen nöronların kendi kendine birleşen kümeleri olan organoid ve asembloid teknolojilerini dikkate değer bir sadakat düzeyine taşıdı. Bu sistemler, biyolojik matrisler ve karmaşık protokoller tarafından sağlanan biyokimyasal ipuçlarına ve hücrenin kendi kendine organizasyonuna dayanır. UC Riverside iskelesi ise tamamlayıcı bir nitelik taşıyor: Biyolojik karmaşıklığa dayanmak yerine, kararlı ve donöre özgü ağlara ihtiyaç duyan deneyler için tekrarlanabilirliği ve uzun ömürlülüğü artırabilecek fiziksel olarak tanımlanmış bir platform sunuyor. Bu yaklaşımlar hep birlikte araştırmacılara biyolojik gerçekçilik, deneysel kontrol ve hayvan kullanımıyla ilgili etik kaygılar arasında farklı seçenekler sunuyor.

Potansiyel uygulamalar ve avantajlar

Araştırmacılar birkaç kısa vadeli kullanımın altını çiziyor: Travmatik beyin hasarı ve inme mekaniğinin modellenmesi, donöre özgü hücrelerde Alzheimer gibi hastalık süreçlerinin incelenmesi ve hayvan dokusu olmadan nöroaktif ilaçların taranması. Sentetik iskele sabit olduğundan ve biyokimyasal bozulmaya daha az meyilli olduğundan, nöral hücrelerin olgunlaşmasına izin veren daha uzun süreli deneyleri destekleyebilir; bu, nörolojik hastalıkların birçok özelliğinin yalnızca olgun nöronlarda ortaya çıkması nedeniyle kritik bir gerekliliktir. Ekip ayrıca bunu, bilim insanlarının beyin ve diğer dokular arasındaki etkileşimleri kontrollü bir şekilde inceleyebilmeleri için farklı organ modellerinden oluşan ağları bir araya getirmeye yönelik ilk adım olarak görüyor.

Sınırlar ve ölçeklendirme yolu

Mevcut iskeleler küçüktür (yaklaşık iki milimetre genişliğinde) ve araştırmacılar, bu yaklaşımın daha büyük veya daha karmaşık modellerin yerini alabilmesi için önlerinde birkaç mühendislik zorluğu olduğunu kabul ediyor. Bunların başında perfüzyon geliyor: Daha büyük doku yapıları, oksijen iletmek ve atıkları uzaklaştırmak için entegre damar sistemine veya verimli sentetik kanallara ihtiyaç duyar. Organ ölçeğindeki dokuları destekleyebilecek vasküler ağların tasarlanması ve üretilmesi ile bu ağların sentetik beyin matrisine bağlanması, aktif bir araştırma alanı olmaya devam ediyor. Ayrıca, bağışıklık etkileşimlerinin, kan-beyin bariyeri fizyolojisinin ve diğer sistemik etkilerin tamamen sentetik bir iskelede nasıl modellenebileceği konusunda da sorular bulunmaktadır.

Etik, düzenleme ve daha az hayvan vaadi

Deneysel tekrarlanabilirliğin yanı sıra, sentetik iskele, hayvan testlerini azaltmaya yönelik etik ve düzenleyici baskılara da yanıt veriyor. Çeşitli yetki alanlarındaki düzenleyici kurumlar ve fon sağlayıcılar, ilaç güvenliği ve etkinliği için hayvan dışı test sistemlerinin geliştirilmesini teşvik ediyor; tanımlanmış sentetik platformlar ise tekrarlanabilir, insanla ilgili test ortamları sunarak bu geçişi hızlandırabilir. Yine de düzenleyiciler, sentetik modeldeki yanıtların insanlardaki sonuçları öngördüğünü gösteren dikkatli bir doğrulama bekleyecektir ve bu da zaman ve laboratuvarlar arası tekrarlama gerektirecektir.

Sırada ne var?

• Ölçeklendirme — daha büyük yapıların ve entegre sentetik damar sistemi veya perfüzyon sistemlerinin gösterimi.
• İşlevsel doğrulama — hastalıkla ilgili öngörülebilir, donöre özgü davranışları gösteren elektrofizyoloji ve ilaç yanıtı çalışmaları.
• Platformlar arası karşılaştırmalar — aynı ilaç veya hasar için sentetik iskeleleri, organoidleri ve hayvan modellerini karşılaştıran baş başa testler.
• Düzenleyici etkileşim — sentetik dokuların klinik öncesi süreçlerde nasıl kullanılabileceğini tanımlamak için kurumlarla erken görüşmeler.

UC Riverside ekibi projeye 2020 yılında başladı ve dahili başlangıç fonları ile eyalet rejeneratif tıp hibelerinden finansman desteği alıyor. İskele konsepti, grubun sentetik karaciğer dokusu üzerine ilgili çalışmaları sunmasına çoktan yol açtı ve organ düzeyindeki kültürleri etkileşimli sistemlere bağlama stratejilerini sürdürüyorlar. Bu sonraki adımlar başarılı olursa, yaklaşım araştırmacılara nörobilim ve ilaç keşfi için yeni bir insan odaklı, ölçeklenebilir doku modelleri sınıfı sağlayabilir.

James Lawson, Dark Matter için çalışan araştırmacı bir bilim ve teknoloji muhabiridir. University College London'dan Bilim İletişimi alanında yüksek lisans (MSc) ve Fizik alanında lisans (BSc) derecesine sahiptir; yapay zeka, uzay ve kuantum teknolojilerindeki gelişmeleri takip etmektedir.