Otizm Spektrum Bozukluğu Tedavilerini Test Etmek İçin Laboratuvarda Yetiştirilen Mini İnsan Beyinleri
Nadir bir otizm spektrum bozukluğu türü olan Rett sendromu, hareket, konuşma ve nefes alma dahil olmak üzere çocuğun hayatının neredeyse her bölümünü etkiler.
Çoğu otizm spektrum bozukluğunun karmaşık, çok faktörlü bir genetik bileşeni vardır ve bu da spesifik tedavileri bulmayı zorlaştırır. Rett sendromu bir istisnadır.
Bozukluğun bu formuyla doğan bebekler, özellikle MECP2 geninde mutasyonlara sahiptir ve bu da beyin gelişiminde, esas olarak kadınları etkileyen ciddi bir bozukluğa neden olur.
Yine de hala bir tedavi yoktur – mevcut tedaviler semptomları hafifletmeyi amaçlamaktadır, ancak temel nedeni ele almamaktadır.
California Üniversitesi San Diego Tıp Fakültesi ve Sanford Rejeneratif Tıp Konsorsiyumu’ndaki araştırmacılar, hastalığı daha iyi incelemek için işlevsel MECP2 geninden yoksun kök hücreden türetilen beyin organoidlerini (“mini beyinler” olarak da adlandırılır) kullandılar.
EMBO Moleküler Tıp’ta 8 Aralık 2020’de yayınlanan bir çalışmada, ekip MECP2 geninin eksikliğinden kaynaklanan eksiklikleri gideren iki ilaç adayı belirledi. Bu bileşikler, kalsiyum seviyelerini, nörotransmiter üretimini ve elektriksel dürtü aktivitesini eski haline getirerek Rett sendromu beyin organoidlerini neredeyse normale döndürdü.
UC San Diego Tıp Fakültesi’nde hücresel ve moleküler tıp Pediatri Profesörü Alysson R. Muotri, “Rett sendromuna neden olan gen mutasyonu onlarca yıl önce keşfedildi, ancak tedavisindeki ilerleme, en azından kısmen, fare modeli çalışmaları insanlara tercüme edilmediği için gecikti” dedi ve “Bu çalışma, insan beynini daha iyi taklit eden bir modele duyulan ihtiyaçtan kaynaklandı.”
Beyin organoidleri, laboratuvarda insan beyninin yönlerini temsil eden 3 boyutlu hücresel modellerdir. Bu organoidler, araştırmacıların insan gelişimini izlemelerine, hastalığa yol açan moleküler olayları çözmelerine ve yeni tedavileri test etmelerine yardımcı olur.
UC San Diego‘da, Brezilya Zika virüsünün ciddi doğum kusurlarına neden olabileceğine dair ilk doğrudan deneysel kanıtı üretmek ve mevcut HIV ilaçlarını başka bir nadir, kalıtsal nörolojik bozukluğu tedavi etmek için yeniden kullanmak için beyin organoidleri kullanıldı.
Muotri ve ekibi ayrıca, mikro yerçekiminin beyin gelişimi üzerindeki etkisini ve belki de Dünya’nın ötesindeki insan yaşamı için umutları test etmek için beyin organoidlerini Uluslararası Uzay İstasyonu’na gönderdi.
Elbette mükemmel kopyalar değiller, Organoidlerin kan damarları gibi diğer organ sistemleriyle bağlantıları yoktur. Beyin organoidleri üzerinde test edilen ilaçlar doğrudan eklenir – kan-beyin bariyerini, beyni büyük ölçüde bakteri, virüs ve toksinlerden uzak tutan özel kan damarlarını aşmaları gerekmez.
Ancak araştırmacılar, organoidleri zaman içinde veya bir gen mutasyonu, virüs veya ilacın bir sonucu olarak fiziksel yapı veya gen ekspresyonundaki değişiklikleri kontrol etmek için çok faydalı buluyor.
Dahası, Muotri’nin ekibi kısa süre önce beyin organoid oluşturma sürecini prematüre bebeklerin elektriksel dürtü modellerine uyacak şekilde optimize etti ve onları gerçek insan beynine her zamankinden daha fazla benzetmelerini sağladı.
Son çalışmada, araştırmacılar bu yeni protokolü, Rett sendromlu hastalardan türetilmiş indüklenmiş pluripotent kök hücreleri (iPSC’ler) kullanarak fonksiyonel beyin organoidleri için uyguladılar.
Kısacası Ekip, bir deri örneği topladılar, hücreleri iPSC’lere dönüştürecek şekilde işlemden geçirdiler, sonra onları beyin hücreleri haline getirecek şekilde, her hastanın benzersiz genetik geçmişini koruyarak, bulgularını doğrulamak için yapay olarak MECP2 geninden yoksun beyin organoidlerini ve hatta kadın hastalarda tipik olarak görülen mozaik modelini taklit etmek için mutasyona uğramış ve kontrol hücrelerini karıştırdı.
MECP2 geninin eksikliği, organoidlerle ilgili pek çok şeyi değiştirdi: şekil, mevcut nöron alt tipleri, gen ekspresyon modelleri, nörotransmiter üretimi ve sinaps oluşumu, Kalsiyum aktivitesi ve elektriksel uyarılar da azaldı. Bu değişiklikler, kortikal nöral salınımlı dalgaların, yani “beyin dalgalarının” ortaya çıkmasında büyük kusurlara yol açtı.
Ekip, eksik MECP2 genini telafi etmek için beyin organoidlerini çeşitli beyin hücresi işlevlerini etkilediği bilinen 14 ilaç adayıyla tedavi etti.
Araştırmacılar, Rett sendromu beyin organoidlerini en iyi iki ilaç adayı olan Nefiracetam ve PHA 543613 ile tedavi ettiklerinde neredeyse tüm moleküler ve hücresel semptomlar çözüldü.
Örneğin, Rett sendromu organoidlerindeki aktif nöronların sayısı tedaviden sonra kabaca ikiye katlandı. Nefiracetam ve PHA 543613, daha önce diğer koşulların tedavisi için Faz I ve II klinik denemelerde test edildi, yani kan-beyin bariyerini aştıkları ve insan tüketimi için güvenli oldukları zaten biliniyordu.
Muotri göre, bu laboratuar bazlı sonuçlar MECP2 -açıklı nörogelişimsel bozukluğu olan hastalar için klinik çalışmalara Nefiracetam ve PHA 543613 ilerleyen için çarpıcı fikirler sunmak.
Ancak sonunda, Rett sendromu için en iyi tedavinin bir “süper” ilaç olmayabileceğini söyledi.
Rejeneratif Tıp için Sanford Konsorsiyumu UC San Diego Kök Hücre Programının direktörü ve aynı zamanda bir üyesi olan Muotri, “Sinirbilim alanında, kesin hedefleri vuran oldukça spesifik ilaçlar arama ve karmaşık bir hastalık için tek bir ilaç kullanma eğilimi var” dedi.
“Ancak bunu, çok yönlü tedavilerin kullanıldığı diğer birçok karmaşık bozukluk için yapmıyoruz. Aynı şekilde, burada hiçbir hedef tüm sorunları çözmedi. HIV ve kanser tedavisinde başarılı olduğu gibi uyuşturucu kokteylleri açısından düşünmeye başlamalıyız.”
Referans: 8 Aralık 2020, EMBO Molecular Medicine.
DOI: 10.15252 / emmm.202012523