3D doku modeli, amyotrofik lateral sklerozdan etkilenen motor nöron bağlantılarını replike eder.
Amerika’da yılda yaklaşık 6.000 kişide kasları kontrol eden ve teşhis edilen motor nöronları yavaş yavaş öldüren bir hastalık olan amyotrofik lateral sklerozun (ALS) tedavisi yoktur. Amyotrofik Lateral Skleroz (ALS) beyin ve spinal kordun üst ve alt motor nöronlarında dejenerasyonla karakterize ilerleyici bir hastalıktır. Hastalığın % 90-95’ı tesadüfi (sporadik), % 3-10’u ailesel (familyal) olarak ortaya çıkar.
Bilim insanlarının yeni ilaçları geliştirmelerine ve test etmelerine yardımcı olabilecek bir ilerlemede, MIT mühendisleri, motor nöronlar ve kas lifleri arasındaki arabirimin ilk 3D insan doku modelini ürettikleri mikroakışkan bir çip tasarladılar.
Araştırmacılar, modeldeki nöronları üretmek için, potansiyel ilaçların etkinliğini test etmelerine izin vererek, sağlıklı deneklerden veya ALS hastalarından alınan hücreleri kullandılar.
Cecil ve Ida Green MIT’de Mekanik ve Biyoloji Mühendisliği Profesörü Roger Kamm: “Sağlıklı hücreler ve ALS hücreleri arasında çarpıcı farklılıklar bulduk ve şu an klinik araştırmalar sonucu iki ilacın etkilerini gösterebildik.”
3D Bağlantı Yeri
Bilim insanları, nöromüsküler eklemler olarak da adlandırılan motor nöronlar ve kas hücreleri arasındaki bağlantıların doku modellerini geliştirmeye başladılar. Yine de bunlar, dokunun karmaşık fizyolojisini tam olarak kopyalayamayan iki boyutlu yapılarla sınırlıydı.
Kamm ve meslektaşları, iki yıl önce 3D nöromüsküler bileşke modelinin ilk versiyonunu geliştirdiler. Model, mikroakışkan bir çipin komşu bölümlerini işgal eden nöronlar ve kas liflerinden oluşur. Bölümlere yerleştirildikten sonra nöronlar, kaslara bağlanan ve nöronların hareketlerini kontrol etmesini sağlayan nöritli lifleri uzatırlar.
Nöronlar, araştırmacıların optogenetik adı verilen bir teknik kullanarak aktivitelerini ışıkla kontrol edebilmeleri için tasarlandı. Kas lifleri iki esnek sütunun etrafına sarılır böylece nöronlar ışıkla aktive olduğunda, araştırmacılar, sütunların yer değiştirmesini ölçerek kas liflerinin ne kadar uzandığını ölçebilirler.
Modelin 2016 versiyonunda, araştırmacılar nöronları ve kasları büyütmek için fare hücrelerini kullandılar, ancak türler arasındaki farklılıklar ilaç taramasını etkileyebilmektedir. Yeni çalışmada, insanlardan hem kas hücrelerini hem de nöronları üretmek için uyarılmış pluripotent kök hücreleri kullandılar. Sistemin çalıştığını gösterdikten sonra, tüm vakaların yüzde 90’ını oluşturan, sporadik ALS’si olan bir hastadan indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden üretilen nöronları dahil etmeye başladılar. Bu ALS modeli, sağlıklı hücrelerden oluşan nöromüsküler bağlanma yerlerinden önemli farklılıklar gösterdi.
Kamur: “ Neuritlerin (Sinir hücrelerinin oluşturduğu akson benzeri stoplazmik uzantı) daha yavaş büyüdüğü ve kas lifleri ile güçlü bağlantılar kuramadıkları anlaşıldı. Sağlıklı nöritlerin doğrudan münferit miyotüplere gittiğini ve ardından onları aktive ettiğini görebilirsiniz. Ancak, ALS nöronları çok iyi bağlantı kuramıyor gibi görünüyor.”
Daha Zayıf Kas Kontrolüne Dönüştü
İki hafta sonra, ALS motor nöronları tarafından sinir sistemine bağlanan kaslar, sağlıklı nöronlar tarafından kontrol edilen kaslar tarafından üretilen kuvvetin sadece dörtte birini üretiyordu. Bu da ALS motor nöronlarının sağlıklı iskelet kas dokularına saldırdığını gösterdi.
Araştırmaya katılmamış olan Urbana Champaign’daki Illinois Üniversitesi’nde elektrik ve bilgisayar mühendisliği ve biyomühendislik profesörü Rashid Bashir: “Kök hücre kaynaklı kas hücreleriyle birlikte, ALS hastalarından insan kaynaklı nöronal hücrelerin kullanımı ve fonksiyonel bir nöromüsküler bileşke oluşumu, bir çip üzerindeki doku modelleri alanında büyük bir gelişme.”
Umut Verici İlaçlar
Araştırmacılar daha sonra ALS tedavisi için klinik araştırmalarda rapamisin ve bosutinib adında iki ilacı test etmek için bu doku modellerini kullanarak her iki ilacın birlikte verilmesinin, ALS motor ünitelerinde kaybolan kas gücünün çoğunu geri getirdiğini bulmuşlardır. Tedavi ayrıca ALS motor ünitesinde normal olarak görülen hücre ölüm oranını da düşürmüştür.
Yerel bir biyoteknoloji şirketi ile çalışan Kamm ve meslektaşları, 1.000 ALS hastasından uyarılmış pluripotent kök hücre toplanmasını ve daha büyük ölçekli ilaç çalışmaları yapabilmelerini sağladı. Ayrıca, bir seferde daha fazla örneği test edebilmeleri ve sinir sisteminde destekleyici rol oynayan Schwann hücreleri ve mikroglial hücreler gibi daha fazla hücre türünü ekleyebilmeleri için teknolojiyi büyütmeyi planlıyorlar.
Bu doku modeli, omurgada bulunan sinir hücrelerini etkileyen spinal musküler atrofi (SMA)* gibi diğer kas hastalıklarını incelemek için de kullanılabilir.
*Spinal Müsküler Atrofi (SMA): Çocuklukta belirtileri daha belirgin görülen hareket sinir hücrelerinden (motor nöronlardan) kaynaklı nöromüsküler bir genetik rahatsızlıktır.