Hipoksinin Belirtileri ve Önemi

Beyin, hayatta kalmak ve doğru bir şekilde işlevi yürütmek için sürekli olarak oksijenli kana ihtiyaç duyar. Hipoksi, oksijen kaynağının yoksunluğudur ve genellikle beyin hasarı ile ilişkilendirilir. Yetersiz oksijen seviyeleri ömür boyu sürecek hasara ve bazı durumlarda ölüme neden olabilir. Hipoksinin beyindeki etkisine ilişkin kapsamlı yapılan çalışmalar olsa da, hipoksinin farklı belirtisi ve ilişkileri üzerine yürütülen çalışmalar daha yenidir. Bu çalışmalar, oksijen açlığı ile kanserli hücrelerin gelişimi arasındaki ilişkidir. Tümörün hızlı büyümesi, oksijen kaynağının tükenmesine yol açar. Bu, tümörün belirli bölgelerine oksijen tedarikinde bir azalma ile sonuçlanırken bu, sağlıklı dokuya tedarik seviyesinden önemli ölçüde daha düşüktür.
Büyüyen tümörlerde meydana gelen hızlı hücre çoğalması, bölgedeki hücre sayısının artması nedeniyle oksijenin hızla tüketildiği ve mevcut oksijenin dokunun derinliklerine yayılmasının engellendiği, hipoksik mikro ortamlar olarak bilinen bölgeler yaratır. Sonuç olarak, kanser hücrelerinin, yeterli oksijen yokluğunda daha fazla büyümeyi desteklemek için metabolizmalarını değiştirdiği görülmüştür. Hipoksi, kanserde artan göç ve metastatik davranışla da ilişkilendirilmiştir.

Hipoksinin Kanser Tedavisinde Önemi

Tümör hipoksisinin, tümör ilerlemesinde önemli olduğu ve tümörleri metastaza yatkın hale getirdiği bilinmektedir. Ayrıca, araştırmalar tümör hipoksisinin radyasyona ve kemoterapiye yanıt vermeyi azaltma etkisine sahip olduğunu gösterdiğinden, tümörün tedaviye direncinin anahtarıdır. Kanıtlar, tümör hücrelerindeki hipoksinin iyonlaştırıcı radyasyona dirençle bağlantılı olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu nedenle, hipoksinin radyasyon tedavisinin başarısı üzerindeki etkisini anlamaya adanmış, son on yılda gerçekleştirilen düzinelerce klinik ve laboratuar çalışmasıyla hipoksi, araştırmanın kilit odağı haline gelmiştir.
Bu çalışmaların sonuçları, tümörün hipoksik bölgelerini doğru bir şekilde tespit edebilen sistemlerin, tedaviye tümör yanıtını iyileştirmek için geliştirilebilecek yeni ve yenilikçi tedavilere kapı açacağı fikrini desteklemiştir. Son on yılın sonunda, tümör hipoksisini saptamak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir, ancak klinik çalışmalar, uygun örnek gruplarının seçimindeki başarısızlıklar nedeniyle çoğunlukla belirsiz sonuçlar vermiştir. Bu nedenle, tümör hipoksisini ölçmek için altın standart bir yaklaşım yoktur. Uzmanlar, tümör hipoksisine bakmak için güvenilir, altın standart bir yöntem oluşturmak için ideal bir hipoksi biyobelirtecinin gerekli olduğu konusunda hemfikirdir. Birini bulmaya çalışan çalışma, hücresel oksijen tüketiminin karmaşık davranışı nedeniyle dokudaki oksijen seviyelerindeki aşırı uzaysal ve zamansal heterojenlikler tarafından sınırlandırılmıştır.

Hipoksinin Belirteçlerini Bulmak

Son yıllarda, çok sayıda çalışma, tümör hipoksisinin potansiyel belirteçlerini araştırmıştır. 2015 yılında, bir araştırma ekibi yumuşak doku sarkomunda hipoksinin belirteçlerini vurgulamıştır. HIF  ve CA9’un aşırı ekspresyonunun kötü prognozla ilişkili olduğu ve HIF’nın aşırı ekspresyonunun yumuşak doku sarkomunda bağımsız bir olumsuz prognostik faktör olduğu bulunmuştur. Aynı yıl, St Louis’deki Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi’nden bir ekip, hipoksinin kanser hücrelerinde karmaşık hücre sinyal ağlarını uyarma etkisine sahip olduğu bulunmuştur. Ayrıca etkinleştirilenler olarak HIF, PI3K, MAPK ve NF312;B yollarını vurgulamışlardır. Bu yolların birbirleriyle etkileşime girdiği ve hipoksik etkileri artırabilen veya azaltabilen hem pozitif hem de negatif geri bildirim döngüleri oluşturduğu bilinmektedir.
Çok sayıda çalışma, HIF-1, BNIP3, PDK1 ve GLUT1 proteinlerinin hipoksiyi saptamak için işaretler olarak kullanılabileceği sonucuna varmıştır. HIF-1a’nın hipoksi altında stabilize olduğu, daha sonra hücrenin çekirdeğine girdiği ve oksijen iletimini kontrol eden genlerin transkripsiyon oranını artırarak kanserli hücrelerin oksijen eksikliğine uyum sağlamasına yardımcı olduğu bulunmuştur. BNIP3, hipoksi sırasında HIF-1 tarafından indüklenir, hücre hayatta kalması ve tümör ilerlemesi ile ilişkilidir. PDK1 proteini ayrıca hipoksi altında indüklenir ve ATP üretiminin sürdürülmesinde rol oynadığı bilinmektedir. Son olarak, GLUT1 glikoz taşıyıcısı, hipoksi altında HIF-13 tarafından indüklenir. Ek olarak, CAIX, LDH-5, MCT1 ve MCT4 markörlerinin de hipoksik koşullar altında yukarı regüle edildiği bulunmuştur.

Kanser Tedavisinde Hipoksi Belirteçlerinin Kullanılması

Kanserli hücrelerde hipoksi sırasında birçok proteinin aşırı eksprese edildiği tespit edilmiştir ve bu proteinler, hipoksinin potansiyel biyobelirteçleri olarak kabul edilir. İmmün boyama, PET, SPECT ve immünohistokimyasal boyama gibi çeşitli görüntüleme teknikleriyle tanınabilme potansiyeline sahiptir. Tümörlerdeki hipoksiyi ölçmek için bu belirteçlerin tam olarak nasıl kullanılabileceği, bu bilginin yeni ve daha hedefli tedaviler ve yönetim teknikleri geliştirmek için nasıl kullanılabileceği konusunda araştırmalar halen devam etmektedir.

Dokulardaki ve Hücrelerdeki Oksijen Seviyelerinin Ölçülmesi

Dokularda oksijen eksikliği olarak tanımlanan hipoksi, bozulmuş vaskülarizasyon ve hızla çoğalan kanser hücrelerinin artan solunum talebi nedeniyle ortaya çıkan birincil tümörlerin ayırt edici özelliğidir. Çevrede yoğunlaşan kan kılcal damarları ile tümör mikro ortamı, nekrotik çekirdeğin yakınında düşük [O 2] ve tümör yüzeyinde yüksek [O 2] ile bir oksijen gradyanı oluşturur. Hipoksi, hücre proliferasyonu, metabolik kapasite, immün yanıt ve kemoterapötik müdahaleye direnç dâhil olmak üzere metastatik hastalığın birçok yönünü etkiler. Hücresel düzeyde, hipoksik tepkilere hipoksi ile indüklenebilir. Yerleşik hücrelerin adaptasyonunu sağlayan gen ekspresyonunu düzenleyen (HIF) transkripsiyon faktörleridir. Hipoksik tepkilerin altında yatan mekanizmaların ortaya çıkarılması, tümör ilerlemesini hedefleyen terapötiklerin geliştirilmesi için kritik öneme sahiptir. Hem sabit hem de canlı hücreler ve dokulardaki oksijen seviyelerini ölçmek için çeşitli hipoksi tespit kitleri ve tahlilleri vardır.

Sabit Doku ve Hücrelerde Oksijen Seviyelerinin Ölçülmesi

Görüntüleme yoluyla hipoksinin tespiti için çeşitli belirteçler tanımlanmıştır ve araştırmada yaygın olarak kullanılır. Pennsylvania Üniversitesi’nde Koch ve Evans tarafından geliştirilen EF5 (2-nitroimidazole dayalı bir molekül), hipoksik hücreleri seçici olarak tanımlar. Sabit dokulara enjekte edildikten sonra EF5 seçici olarak hipoksik hücrelere bağlanır ve eklentiler oluşturur. Floresan olarak konjüge edilmiş bir fare monoklonal antikoru daha sonra hipoksik ortamlara sinyal vererek EF5 eklentilerini seçici olarak bağlamak ve tanımlamak için kullanılabilir. Konjuge EF5 antikorları, tamponlar ve EF5 bileşikleri dahil olmak üzere eksiksiz kullanıma hazır kitler ve bağımsız EF5 hipoksi saptamalar yapılır. Bununla birlikte EF5 hipoksi tespit kitinin temel avantajları vardır ve bunlar aşağıdaki gibidir:
• Pimonidazolün aksine, tek lipofilik EF5 formu hızlı ve eşit doku dağılımını kolaylaştırır,
• EF5 bağlanma görüntülerinin kalibrasyonu, her hücre için kantitatif pO 2 değerleri sağlar,
• 2000’den fazla yayında en çok alıntı yapar,

Canlı Hücre Hipoksisi Tespiti

Canlı dokudaki hipoksi, kanser ve iskemi dâhil çeşitli patolojilerle ilişkilidir. Pimonidazol ve EF5 gibi mevcut hipoksi saptama probları, hücre fiksasyonunu ve ardından immün boyama gerektirir. BioTracker 520 Green Hypoxia Dye, canlı hücrelerdeki hipoksinin saptanması için floresan bir görüntüleme probudur. BioTracker hipoksi boyası, pimonidazole benzer duyarlılıkla canlı hücre floresan görüntüleme ve akış sitometri uygulamalarında kullanılabilir.

Hipoksik Mikro Ortamların Mikroakışkan Kontrolü

Görüntüleme platformu, otomatik ortam perfüzyonu, gaz değişimi ve sıcaklık ile birlikte kültür parametrelerinin sayısı, sürekli canlı hücre görüntüleme için tek bir cihazda kontrol eder. Kültür ünitesi bir mikro akışkan plaka ve çevresel kontrol sisteminden oluşur. Plakalar, yayılma etkilerini en aza indirecek şekilde gaz geçirgen malzemeler ve havalandırma kanallarından yapılmıştır. Mikro hacimli kültürler, deney koşullarında hızlı değişiklikler dahil olmak üzere daha kesin kemo-zamansal ve uzaysal kontrole izin verir. Kontrolör, basınçlı hücre yüklemesini, programlanabilir ortam perfüzyonunu, sıcaklığı ve gaz seviyelerini düzenler. Kompakt boyutu ve yüksek optik netliği sayesinde plaka, otomatik dinamik analiz için çoğu ters mikroskopla eşleştirilebilir. Floresan görselleştirme ile birlikte kullanıldığında, etiketli protein ekspresyonundaki değişiklikleri izlemek ve aynı anda birden fazla hücre tipini ayırt etmek ve analiz etmek için kullanılabilir.
Hipoksinin, hücre proliferasyonu, sitotoksik ajanlara direnç, hücre ölüm mekanizmaları ve metastatik potansiyel dâhil olmak üzere çok sayıda tümör hücresi işlevini ve sürecini etkilediği bilinmektedir. Hipoksi mekanizmalarının ve süreçlerinin daha fazla aydınlatılması, araştırmacıların kanser ilerlemesini önlemelerine, daha etkili ve sağlam kemoterapötikler geliştirmelerine olanak sağlar. Deneysel yaklaşım ne olursa olsun, yenilikçi yöntemlere ve malzemelere erişimi hızlandırarak yaşam bilimindeki en zorlu sorunları çözmeye yardımcı olur. Sabit dokulardan canlı hücre görüntülemeye kadar, kanser ve diğer hastalık durumlarında hipoksiye yönelik araştırmalar hızlandırılmalıdır.

Kaynakça:
spandidos-publications.com/10.3892/ol.2015.2914
bmccancer.biomedcentral.com/articles/10.1186/1471-2407-11-167
ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5045092/

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu