Klinik öncesi testler için tahmin edilebilirlik, klinik testlerin başarısı için çok önemlidir. Günümüzde yapılan klinik öncesi testler; etkinlik, toksisite ve farmakokinetik açısından mükemmel olmaktan uzaktır. Hayvan modelleri altın standart olarak değerlendirilirken, laboratuvar hayvanlarının kullanımı etik soruların ortaya çıkmasına neden olur. Ayrıca, hayvan türleri ilaçlara hatırı sayılır derecede farklı tepkiler vermektedir. Bu nedenle klinik öncesi tahminlerin doğruluğu düşmektedir. Enfeksiyonlar gibi hastalıklar konusunda ise hayvan modeli mevcut değildir. Hayvan modellerinde denenen kanser ilaçlarının sadece yüzde 8’i başarılı şekilde insan klinik denemelerine uygulanabilmiştir. Hayvan modellerine ek olarak iki boyutlu hücre kültürü de klinik öncesi denemeler için yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Fakat, iki boyutlu hücre kültüründen çıkarılan sonuçların yorumlanması zordur ve sonuçlar yanıltıcı olabilir. Çünkü, iki boyutlu ortamda kültüre edilen hücreler sıklıkla fonksiyonelliklerini kaybederler ve görünüşleri doku ve organlarda bulunan hallerinden daha farklı bir şekilde olur. Var olan modellerle ilgili tüm bu sorunlar, yeni bir modele yönelik ihtiyacı ortaya çıkarmaktadır. Son yıllarda, EPA, NIH ve DARPA kuruluşları çevresel kimyasalların ve ilaçların etkilerinin test edilmesi için, insan hücresel modellerini desteklemeye başlamışlardır. Özellikle DARPA, kültüre edilmiş hücrelerden insan dokusu ve üç boyutlu organ üretmeye yönelik çalışmalar başlatmıştır. Böylece, üç boyutlu kültürün doğal doku yapısına ve fizyolojisine benzer olması sayesinde, kimyasalların etkinliği test edilirken insan fizyolojisindeki etkinliğine daha benzer sonuçlar elde edilebilir. Fizyolojik olarak daha yakın, daha etkili bir model geliştirilmesine ileri teknolojiler için acil bir ihtiyaç vardır.
Organid terimi ise ilk defa, yeni doğanlarda görülebilen tümör benzeri doku kütlesini tanımlamak için kullanıldı. Organoidler bazı durumlarda doku transplantasyonlarında kullanıldı. 80’li ve 90’lı yıllarda gelişimsel biyoloji deneyleri için de kullanılmışlardır. Bu gelişmeyi, embriyonik kök hücrelerin keşfi, uyarılmış pluripotent kök hücrelerin oluşturulması, yetişkin kök hücrelerinin keşfi ve birçok organda kök hücrelerinin varlığının kanıtlanması izlemiştir. Bu gelişmelerin ardından organoid terimi, embriyonik kök hücrelerden, uyarılmış pluripotent kök hücrelerden ya da yetişkin kök hücrelerden elde edilen üç boyutlu yapılar için kullanılmıştır.
Organoidler, organın türüne bağlı olarak, küresel ya da düzensiz şekilli olabilirler. Büyülüğü 0.1 mm ile ile 1 mm arasındadır. Gen anlatım profili ve doku yapısı olarak, in vivo organoidlerle anlamlı şekilde benzerlik gösterir. Ayrıca, fonksiyonel olarak da in vivo organoidlerle benzerlik gösterir ve transplante edildiklerinde embriyonik dokularla ve yetişkin dokularla uyumlu olabilir.
Günümüzdeki Organoid Araştırmalarında Trendler ve Zorluklar
Kistik fibrozun, polikistik böbrek hastalığının, Hirschsprung hastalığının ve mikrosefali gibi doğumsal kusurların da dahil olduğu genetik hastalıkların patolojisinin anlaşılabilmesi için organoidler kullanılmaya başlanmıştır. Organoid temelli yaklaşımlar Helicobacter ve Zika virüsü kaynaklı enfeksiyon hastalıklarının patolojisinin anlaşılmasında da kullanılmıştır. Organoid türevli bağırsak ve karaciğer hücreleri rejeneratif tıp çalışmaları için kaynak olarak değerlendirilmiş ve birkaç hayvan modelinde bu hücreler başarılı sonuçlar vermişlerdir. Son zamanlarda toksikoloji taramaları ve tümör oluşumunda hastaya özgü genetik faktörler ve ilaç cevapları organoid teknolojisi üzerinden yapılmaya başlandı. Embriyonik kök hücreler, uyarılmış pluripotent kök hücreler ve yetişkin kök hücreler organoid teknolojisi için sınırsız hücre kaynağı durumundadırlar.
Organoid teknolojisi ile ilgili çeşitli zorluklar mevcuttur. Bu zorlukların başında, organoid oluşturmanın uzun ve maliyetli bir süreç olması gelir. Ayrıca; canlılık, büyüklük ve şekilde değişkenlikler vardır. Çoğu durumda bir tür organoidi üretecek teknik diğer tür organoidlere uygulanamayabilir. Örneğin, beyin organoidi üretme prosedürü ile, karaciğer organoidi üretme arasında çok az benzerlik olacaktır. Tekniklerin transfer edilmesindeki bu kısıtlama, organoid teknolojisinin gelişimi için büyük bir aksaklıktır. Ayrıca organioidlerde, farklı hücre tipleri arasındaki etkileşim ve ekstrasellülar matriksin eksikliği vardır. Doğal bir mikroçevrenin (hücrelerin bir arada bulunduğu ortam) varlığı ise, hücrelerin birbirleriyle iletişim kurması ve fonksiyonellik için önemlidir. Ayrıca, organoidlerin laboratuvar ortamında olgunlaşması ve kültür koşulları konusunda bilinenler azdır.
Tersine Mühendisliğin Organoid Teknolojisine Uygulanması
Biyolojide tersine mühendislik, fonksiyonel benzerlik yaratmak için var olan biyolojik sistemden tasarım parametrelerinin elde edilmesidir. Tasarım parametreleri; hücre tipi, mikroçevre ve şekil gibi fiziksel parametreler olabilir. Tersine mühendislik prensipleriyle organoid üretimindeki bazı sıkıntılar çözülebilir.
Bu konuda yapılabilecek çalışmalar:
1)Organoid sistemlerindeki in vivo heterojenitenin taklit edilmesi,
2)Hücreler arası matriksin kompozisyonu, katılığı ve yapısı da dahil organoid mikroçevresinin düzenlenmesi
3)Organoidlerin in vitro olgunlaşmasının başlatılmasıdır.
Organoid Üretimi İçin Biyomühendislik Uygulamaları
Organoidlerdeki hücreler, vücuttaki gibi mekanik sinyallere maruz kalmazlar. Dinamik kültürler ise, akışkan stresine ve diğer türde strese maruz kalabilirler. Ayrıca dinamik kültürler, besin ve oksijenin etkili şekilde dağılımını sağlarlar. Perfüzyon reaktörleri ise kültürlerin, mikroakışkan cihazlardan daha büyük ölçekte üretimini sağlarlar. Bu reaktörler, kemikler ve bağırsak dokusunun doku mühendisliği için kullanılmıştır. Diğer taraftan mikroakışkan cipler de perfüzyon kültürler için kullanılabilir. Organ-on-a-chip, mikroakışkan bir hücre kültürü cihazıdır. Besiyerlerinin aktığı ve hücrelerin kültüre edildiği küçük kanallara sahiptir. Organ-on-a-chip aygıtı, bir veya daha fazla hücrenin eş zamanlı olarak çoğaldığı bir kültür olarak kullanılabilir. Doku ve organ seviyesinde patofizyolojik koşulları taklit edebilir. Organ-on-a-chip kullanılarak ilaç cevabı ve toksisite test edilebilir. Bu cihazda sinir hücreleri çoğaltıldıklarında, hücrelerin çoğalıp topluluk oluşturdukları gözlemlenmiştir. Ayrıca bu sistemde, mikroçevrenin kontrolü ve dokunun olgunlaşması için gerekli faktörlerin verilmesi de mümkündür.
İnsan Doku Transplantasyonu İçin Organoid Teknolojisinin Kullanımı
Karaciğer ve kalp gibi organların iflas etmesi durumunda uygulanabilecek tek tedavi seçeneği organ transplantasyonudur. Bu nedenle, yüksek kalitede insan doku ve organları için talep vardır. Amerika Birleşik Devletleri’nde 120,000, Avrupa kıtasında 86,000 ve Çin’de 1,5 milyon kişi organ nakli için beklemektedir. Bu nedenle, Amerika Birleşik Devletleri’nde, insan embriyonik kök hücreleri ve uyarılmış pluripotent kök hücre türevli kalp hücreleri ve retina hücreleri ile ilgili klinik çalışmalar yapılmaktadır. Hastadan alınan hücrelerden elde edilen uyarılmış pluripotent kök hücrelerinden oluşturulan organoid, bağışıklık sistemi tepkisine maruz kalmayacağı için, günümüzde yapılan organ nakli yöntemlerine kıyasla daha avantajlıdır. Ayrıca, bu konuda böbrek, karaciğer ve pankreas için de klinik çalışmalara da acil ihtiyaç vardır. Karaciğer ve diğer organoidlerin kullanılmasındaki problem istenilen boyutta olamamalarıdır. Bunu çözmek için üç boyutlu biyoyazıcı ile üretilen bir iskeletin üzerinde hücrelerin büyütülmesine yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bu tarz bir çalışmadaki ana sorun ise, kollajen, laminin, elastin, fibronektin ve büyüme faktörlerinden oluşan bir hücreler arası ortamın gerekliliğidir.
Organoid teknolojisinin geliştirilmesi ve insan organoidlerin farklı alanlar için üretimi; kök hücre biyolojisi, gelişim biyolojisi, matriks biyolojisi, sistem biyolojisi, biyomühendislik, materyal bilimleri, biyoistatistik ve biyoinformatik gibi farklı bilim dallarının sahip olduğu bilgi ve teknolojinin sentez edilmesini gerektirir. Bu gibi çalışmalar günümüzde, enstitüler ve özel ajanslar tarafından desteklenmektedir. Yapılan bilimsel çalışmalarla mevcut sorunlar aşıldığında, önümüzdeki yıllarda organoid teknolojisinin toksisite ve ilaç testlerinde kullanılması ve bu teknolojinin standart organ nakli uygulamalarının yerini alması mümkün olacaktır.
Kaynakça:
1) Lou ve Leung. Next generation organoids for biomedical research and applications. doi:10.1016/j.biotechadv.2017.10.005
Yazar: Ayça Olcay