Biyomühendislikle üretilen fonksiyonel beyin dokusu modeli
Bilim insanları, laboratuvarda geliştirilen, dışı ipek malzemeden ve peltemsi olması gereken bölümü kolajen jelden oluşan bir malzemenin beynin temel fonksiyonunu taklit ettiğini buldu.
Beyin insan vücudu içinde en az bilinen organlardan biri olmaya devam ediyor. New York Times internet sitesine 11 Ağustos 2014 tarihinde giren habere göre, biyomühendisler, bir kabın içinde, fare nöronları ile söz konusu malzemenin merkezi bölümü boyunca birbirine sinyal ileten bir tür ilkel gri madde ve beyaz madde ürettiler. Bilim insanları travmatik bir yaralanmayı taklit etmek amacıyla malzemenin üzerine ağırlık bıraktıklarında, yaralanmış hayvanların beyinlerinde olana benzer biçimde üç-boyutlu beyin modelindeki nöronlar kimyasal ve elektriksel sinyal yaymaya başladı.
Uzmanlar, böylece laboratuar ortamında beyin işlevlerini taklit etmeye ilk kez bu kadar yaklaşıldığını belirtiyor. Eğer araştırmacılar bunu insan nöronları ile tekrarlayabilir ve diğer nörolojik fonksiyonları da yansıtacak şekilde zenginleştirebilirse, bu model insanlar üzerindeki klinik denemelerin etik ve mali zorluklarıyla karşılaşmadan, hastalık, travma ve medikal işlemlerin beyni nasıl etkilediğine ilişkin çalışmalarda kullanılabilir.
Araştırma ekibi içinde yer almayan, Merkezi Florida Üniversitesi’nden bir nanobilimler teknolojisi profesörü model için “Mekanik benzerlik açısından beynin oldukça iyi bir taklidi” diyor: “Nöronların fonksiyonlarını en üst düzeyde tekrarlayabilmişler. Gördüğüm en iyi model.”
Tufts Üniversitesi’nde Biyomühendislik Bölümü Başkanı olan David Kaplan tarafından yürütülen ve Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri Dergisi’nde yayımlanan araştırma, kalp, akciğer, karaciğer gibi organların gerçekçi modellerini yapmakta yararlanılan biyomühendisliğin en son örneği.
İnsan beyninin gelişimine yönelik çoğu çalışma hayvanlar veya ölümden sonra alınan beyin parçaları üzerinde yapılmakta; bunların ikisi de yararlı olmakla birlikte sınırları var.
Dr. Kaplan’ın araştırmasını fon sağlayan Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik Enstitüsünde doku mühendisliği ve biyomalzeme programı yöneticisi olan Rosemarie Hunziker, beyin modellerinin iki boyutlu veya üç boyutlu jelden yapıldığını belirtiyor. Bu sistemlerin hiç birinin beynin gri maddesi ve beyaz maddesini ya da nöronların nasıl iletişim içinde olduğunu gösteremediğini belirterek, “Hatta oraya hücreleri de yerleştirseniz çok fazla bir şey yapamıyorlar” diyor.
Dr. Kaplan’ın grubu pozitif olarak yüklü polimerle kaplanmış süngerimsi bir ipek malzemenin, gri maddenin bir taklidi olarak fare nöronları için uygun bir ortam sağladığını buldu. İpek tek başına, elektrik sinyallerini diğer nöronlara taşıyan bölümler olan aksonları üretmek üzere nöronları harekete geçiremedi. Araştırmacılar, ipek malzemeyi bir parçanın içinde şekillendirdi ve kolajen jeli malzemenin merkezine ekledi. Aksonlar, beyaz maddenin yerine kullanılan jelin etrafındaki halkadan büyüdü ve çember boyunca sinyallerini nöronlara gönderdi. “Nöronların birbirleriyle konuşur” hale geldiğini söyleyen Dr. Hunziker, “Hiç kimse böyle bir şeyi daha önce gerçekten gösteremedi” diyor.
Bilim insanları besin maddeleri ve büyüme faktörleri ekleyerek beyin benzeri malzemeyi, üzerinde deneylerini yaptıkları kuluçkada iki ay boyunca canlı vaziyette tuttular.
Nörotoksinleri ilave ederek, gerçek beyinde olduğu gibi nöronları öldürdüler. Travmatik beyin hasarını taklit etmek için farklı yüksekliklerden ağırlık bıraktılar.
Dr. Kaplan kapta bulunan malzemenin dağılmadığını ya da sıçramadığını, bir mutfak süngeri gibi davrandığını, aşağıya basıldığını, sonra kısmen yukarı kalktığını söylüyor.
Dr. Kaplan, ayrıca yaralanmalarda ortaya çıkan bir taşıyıcı/iletken olan glutamat ölçümlerinin de “Hasar şiddetlendikçe, glutamat miktarının da sıçrama yaptığını” gösterdiğini belirtiyor.
Dr. Kaplan ile başka çalışmalarda birlikte yer alan Columbia Üniversitesi’nden bir biyomedikal mühendisliği profesörü, modeli bir tür “Lego yaklaşımı”, genişletilebilecek ve daha karmaşık hale getirilebilecek “modüler bir yapı” olarak nitelendiriyor. “Prensip olarak bunun gibi bir şeyin vücut dışında da yapılabileceğinin ilk ispatı” olduğunu ekliyor.
Dr. Hickman adlı bilim insanı, beyindeki diğer hücreler ve bölgeleri çalışmak için gelecekte başka deneylere de ihtiyaç duyulduğunu belirtiyor. Ona göre bu araştırmacılar, gelecekte birtakım akıllı insanların bunu yapabilmesi için bir mimari oluşturdular. Dr. Kaplan grubunun beyin benzeri dokuyu altı ay boyunca canlı tutmak ve kök hücrelerden oluşturulan insan nöronlarıyla yapmak üzerinde çalıştığını söylüyor. Ayrıca kendisi, araştırmacıların ilaçlar kan-beyin bariyerine geldiğinde neler olduğu konusunda çalışabilmeleri için, beynin damar sistemine ilişkin bir model geliştirmeyi planlıyor.
Sonuç olarak, Dr. Kaplan biyomühendislikle geliştirilmiş modelin, “İlaçlardan hastalıklara, ameliyat etkilerine, elektrot implantlara kadar her şeyi çalışmak için” kullanılabilmesini ümit ediyor: Modelin kullanılabileceği “Listenin sonsuz” olduğu görüşünde.
