Organoidler: Organizmayı Üç Boyutlu Taklit Etmek

ABD’li biyolog Ross G. Harrison 1907’de erişkin bir kurbağadan elde ettiği lenf sıvısında kurbağa sinir hücrelerini büyütmeyi başardı. Böylece sonraki yıllarda sayısız gelişmeye öncülük eden “hücre kültürü” tekniğinin temelleri atılmış oldu.

Sağlıklı vücut hücrelerinin kültür ortamında büyüme kapasiteleri sınırlıdır yani hücreler belirli sayıda bölündükten sonra büyümeyi durdurur. Bu nedenle çalışmalarında hücre kullanan araştırmacıların gerçekleştirecekleri her deney için hayvanlardan hücre elde etmesi gerekiyordu. 1951 yılında George O. Gey ve arkadaşları, rahim ağzı kanseri hastası Henrietta Lacks’tan alınan tümör dokusundan elde ettikleri hücreleri uygun besi ortamında sınırsız sayıda çoğaltmayı başardı. Araştırmacıların HeLa (Henrietta Lacks) adını verdikleri bu hücreleri dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar ile paylaşmasıyla bilimsel araştırmalarda yeni bir dönem başladı. Hücrelerin kültür ortamında, sınırsız sayıda çoğaltılabilmesi sayesinde her deney için hayvanlardan doku alınması ihtiyacı ortadan kalktı ve dünya genelindeki araştırmacıların aynı hücre gruplarıyla çalışması mümkün oldu.

Hücre kültüründe büyütülen E. coli bakterileri

İlerleyen zamanlarda belirli bir dokudan elde edilen hücrelerin uygun koşullardaki besi ortamlarında, cam veya plastik kültür tabaklarında tek katman halinde büyütüldüğü iki boyutlu hücre kültürü yöntemi bilimsel çalışmalarda kullanılmaya devam edildi. Ancak hücrelerin plastik yüzeylerde tek katman halinde büyütülmesinin vücut ortamını yansıtmada yeterli olmadığı düşünülüyor. Çünkü bir organizmadaki hücreler farklı hücrelerle üç boyutlu şekilde etkileşim halindedir. Ancak kültür ortamında büyütülen hücreler çevrelerindeki aynı tür hücrelerle etkileşim halindedir ve yapay besi ortamlarında (besi ortamının içeriğine ve ortam koşullarına bağlı olarak) büyüyüp gelişir. Bu nedenle hücre kültürü yönteminin organizmayı tam olarak yansıtamayacağı endişeleri var.

Üç boyutlu hücre kültüründe büyütülen HeLa hücresi

Hücre kültürünün ilk ortaya çıkışından bugüne yapılan bilimsel çalışmalarda bu yöntemin geliştirilmesine yönelik önemli adımlar atıldı. Bunlardan en dikkat çekici olanı üç boyutlu hücre kültürü yöntemidir. Üç boyutlu hücre kültüründe büyütülen hücreler, iki boyutlu hücre kültüründe büyütülen hücrelere kıyasla organizma içindeki hücreler ile, gerçekleşen işlevler ve biyokimyasal süreçlerin mekanizması (örneğin canlılık, morfoloji, büyüme, farklılaşma, uyarana verdikleri tepki, gen ifadesi, protein sentezi, ilaç metabolizması) açısından belirgin düzeyde benzerlik gösterir. Ancak üç boyutlu hücre kültürü yönteminde de organizmayı taklit etme konusunda yetersizlikler söz konusu. “Organoid büyütme yöntemi” bu sorunların aşılmasını sağlayabilir.

Arlotta laboratory - Beyin organoidi

Organoidler kendi kendilerini yenileyebilen, organ işlevi gösterebilen, doğrudan doku veya kök hücrelerden elde edilen üç boyutlu hücre gruplarıdır. Organoidler yapısal ve işlevsel olarak elde edildikleri dokuyla benzerlik gösterir. Ancak organoidlerde kendini yenileyebilen kök hücre grupları bulunur ki bu kök hücreler organizmadaki kök hücreler gibi diğer hücre türlerine dönüşebilir.

Organoidler, biyolojik benzerlik açısından yani organizmayı taklit etme konusunda diğer kültür yöntemlerinden daha gelişmiştir. Bu hücre grupları dondurularak biyolojik bankalarda saklanabilir. Bu yöntem sayesinde kök hücrelerin sınırsız biçimde kendini yenileme ve diğer hücre türlerine dönüşme (bu süreç başkalaşma olarak isimlendirilir) özelliğinden faydalanılabilir.

Organoidler Tedavi Amaçlı Nasıl Kullanılabilir?

Yeni ilaç geliştirme araştırmalarında bulaşıcı hastalıkların, çeşitli kanserlerin ve kalıtımsal hastalıkların modellenmesinde (hastalıklara neden olan süreçlerin anlaşılmasında kullanılan bir yöntemdir) ve başka birçok biyomedikal uygulamada organoidlerden yararlanılıyor.

Örneğin hamilelikte anneye bulaşması halinde bebekte mikrosefali (küçük kafa) ve gelişimsel bozukluklara neden olan Zika virüsünün hastalığı nasıl oluşturduğunun anlaşılmasında ve bu hastalığın tedavisi için kullanılabilecek ilaç etken maddelerinin belirlenmesine yönelik araştırmalarda organoidler kullanıldı ve bu araştırmalar sonunda Zika virüsüne karşı kullanılabilecek antiviral ilaç molekülleri belirlendi.

Kanserli hücreler

Kanser hastalarındaki kanserli hücrelerden elde edilen organoidler sayesinde mevcut kanser türünün çok benzer bir modeli elde edilebiliyor. Böylece kansere neden olan faktörlerin belirlenmesi mümkün olabiliyor. Ayrıca kanser tedavisine yönelik farklı ilaç karışımları denenerek bu hücrelerin hassas ya da dayanıklı olduğu ilaçlar belirlenebiliyor.

Organoidler kalıtımsal hastalıklara yönelik araştırmalarda da kullanılabiliyor. Otizm spektrum bozukluğu (OSB) organoidler kullanılarak modellenebiliyor.

Ancak organoid yöntemi için de kısıtlayıcı durumlar var. Bu nedenle organoidler kullanılarak bir hastalıkla ilgili araştırmalar yapılırken en uygun araştırma yönteminin belirlenmesi ve gerektiğinde iki boyutlu hücre kültürü ve üç boyutlu hücre kültürü yöntemleri ile hayvan çalışmalarının birleştirilmesi, daha güvenilir ve kapsamlı sonuçlar elde edilmesini sağlayacaktır.

Kaynaklar:

• Souza, A.G. ve ark., “Advances in Cell Culture: More than a Century after Cultivating Cells”, Journal of Biotechnology & Biomaterials, Cilt 6, Sayı 221, 2016.
• Yao T., Asayama Y., “Animal-cell culture media: History, characteristics, and current issues”, Reproductive Medicine and Biology, Cilt 16, Sayı 99, s. 117, 2017.
• Lancaster, M. A., Knoblich, J. A., “Organogenesis in a dish: modeling development and disease using organoid technologies”, Science, Cilt 345, Sayı 6194, 2014.
• Garcez, P.P. ve ark., “Zika virus impairs growth in human neurospheres and brain organoids”, Science, Cilt 352, Sayı 816, 2016.
• Mariani, J. ve ark., “FOXG1-dependent dysregulation of GABA/glutamate neuron differentiation in autism spectrum disorders”, Cell, Cilt 162, s. 375–390, 2015.