Kök hücreler farklı hücre tiplerine dönüşebilen hücreleri ifade ediyor. Günümüzde birçok hastalığın tedavisinde ve organ mühendisliğinde sıklıkla kullanılıyor ve gelecek tedavi yöntemleri için umut vadediyor. Prof. Dr. Ayşen Günel Özcan ile kök hücreler hakkında konuştuk.
Prof. Dr. Ayşen Günel Özcan
Hacettepe Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü Kök Hücre Bilimleri Ana Bilim Dalı
Röportaj: Sedef Çakır
GazeteBilim Yazı İşleri
Röportajımıza temel bir soruyla başlamak isterim. Kök hücreler kaç çeşittir ve özellikleri açısından birbirlerinden ne şekilde ayrılırlar?
Kök hücreler kaynağına göre temel olarak üç sınıfa ayrılır: Embriyonik kök hücreler, doku/erişkin kök hücreleri ve IPS (İndüklenmiş pluripotent kök hücreler) hücreleri. Embriyonik kök hücreler pluripotent özellikte iken doku/erişkin/stromal kök hücreleri multipotent özelliktedir. Ayrıca, iki veya tek bir matür hücre soyuna farklılaşabilen hücreler ise kök hücre yerine progenitor hücreler olarak tanımlanmaktadır. IPS hücreleri ise matür hücrelerin, öncül (progenitör) hücrelerin veya doku kök hücrelerinin spesifik faktörler ile embriyonik benzeri hücrelere dönüştürülmüş hücre tipleridir. IPS hücreleri, Japon bilim insanı Shinya Yamanaka tarafından 2006 yılında ilk kez başarılmış olup, Yamanaka bu buluşu ile 2012 yılında Fizyoloji/Tıp alanındaki Nobel ödülünü almıştır.
Günümüzde kök hücre teknolojileri büyük bir hızla ilerleme kaydetmekte. Sizce, araştırma ve uygulama açısından en çok umut vadeden kök hücre tipi hangisidir?
Uygulama açısından doku kök hücrelerinden olan mezenkimal kök hücreler rejeneratif tıp alanında önemli hücresel araçlardır. Kemik iliği transplantasyonunda ise diğer bir doku kök hücresi olan hematopoetik kök hücreler kullanılır. Pluripotent kök hücreler teratom (saç, diş, kemik, kıkırdak, sinir dokusu gibi farklı dokular içeren tümör) oluşturma riski nedeniyle klinikte kullanılamaz. Ancak pluripotent kök hücrelerin embriyonik gelişim süreçlerini anlamak, farklı doku hücrelerini elde etme kaynağı olması nedeniyle laboratuvarda hastalık modellerinin geliştirilmesi ve ilaç araştırmaları için büyük öneme sahiptir. Ayrıca IPS hücrelerinden doku kök, öncül veya matür hücreler elde edilerek klinikte kullanılabilir ancak bu hücreler üretilirken geriye pluripotent kök hücre kalmadığından emin olunmalıdır.
Organoid nedir? Laboratuvarda organoid yapım aşamaları nelerdir?
Kök hücrelerden türetilmiş, üç boyutlu, kendini organize edebilen ve belirli bir organın yapısal-fonksiyonel özelliklerini taklit eden mini doku modelleridir. Organoid yapımı tek bir protokole bağlı değil, ama çoğu organoid yapımı öncelikle hücre kaynağının seçimi ile başlar. Seçilecek hücreler erişkin dokuya ait kök veya öncül hücreler, IPS hücreleri veya embriyonik kök hücreler olabilir. Sınırsız kaynak oluşturması, etik sorun oluşturmaması, uzun süreli ve tekrarlanabilir kültürler sağlayabilmesi ve dolayısı ile hasta ve hastalığa özel laboratuvar modellemelerini olanaklı kılması nedeniyle en sık tercih edilen IPS hücreleridir ve organoid geliştirme çalışmalarının hız kazanmasını sağlamıştır. Kullanılacak hücrenin kaynağı seçildikten sonra bu hücrelerin izolasyonu ile hücreler zenginleştirilir. Daha sonra küçük damlacıklar şeklinde üç boyutlu matriks içine gömüldükten sonra organoid tipine özel büyüme faktörleri eklenir ve 37 °C derecede ve %5 karbondioksitli inkübatörde kültürü yapılır. Organoidler büyüdükçe çeşitli yöntemler ile ayrıştırılarak tekrar matrikse ekilerek uzun süreli kültürleri sağlanır. Matür hücrelerin organoidi isteniyorsa hedeflenen hücreye özel farklılaşma ortamları ile kültür ortamı değiştirilir ve daha sonra elde edilen organoidlerin hedeflenen doku özelliklerinde olup olmadığını anlamak için çeşitli moleküler, hücresel ve biyokimyasal yöntemler ile karakterizasyonları yapılır.
Peki, organoidleri iki boyutlu hücre kültüründen ayıran maddeler nelerdir? Bu konuyu bizim için açabilir misiniz?
İki boyutlu kültürlerde hücreler tek katmanda yayılırken organoidlerde hücreler üç boyutta katmanlaşarak, doğal doku mimarisine benzer organizasyon göstererek, lümen ve polariteler oluşturarak çoğalır. Organoidlerde hücrelerin kendileri organizasyonu belirler, oysa iki boyutlu kültürde ise daha çok hücrelerin plastik kültür kabına yapışıp yapışmama özellikleri ve hücre tabağının büyüklüğü hücre davranışlarını belirler. İki boyutlu kültürlerde genellikle (ko-kültür değilse) tek tip hücre kullanılır. Organoidler aynı organın farklı hücreleri ile birlikte yapılır. Günümüzde farklı organları birlikte geliştirme çalışmaları da yapılmakta ve bu hücre kültürleri ise “assembloid” olarak isimlendirilmektedir. İki boyutlu kültürlerde doku fonksiyonları sınırlıdır, yapay aktivasyon gerektirir. Organoid ve assemloidler oluşan yapıya göre doğal dokuya daha yakın moleküler ve hücresel fonksiyon bilgileri ve iki boyutlu kültürlere göre daha kararlı gözlem ve ölçüm yapma olanağı sunar. Organoid ve assembloidlerin hangi araştırmalar için daha önemli olabileceğini bir örnekle açıklamak gerekirse doku işlevinin ve fonksiyonunun bozulduğu doku sertleşmesi olarak bilinen fibrozisi örnek vermek isterim. Bir çok hücrenin rol oynadığı karmaşık patogenezi olan fibrozis çeşitli hastalıklar sonucunda her organda görülebilecek patolojik bir durumdur. Fibrozisin nasıl başladığı sorusuna cevap bulmak için organoidlerde modellenmesi yeterli olabilirken assembloidler, fibrozis nasıl ilerler sorusuna cevap bulmamız için daha önemlidir.
Organoid teknolojisinin damarlanma ve olgunlaşma gibi aşamalarını ele aldığımızda en büyük sınırın ne olduğunu görürüz?
Organoidler kapalı, statik sistemlerdir. Klasik organoidlerin çoğunda damar bulunmaz yani avaskülerdir. Organoidlerde oksijen ve besinleri difüzyonla sağlanır ve bu nedenle küçük boyutlarda (örneğin beyin organoidleri maksimum 3-4 mm) oluşturulabilir. Organoidler büyüdükçe beslenmesi bozulacağından fonksiyonu bozulur, metabolizması düşer. Damarlanma olmadığında metabolik atıklar uzaklaştırılamaz, oksijen gradyenti bozulur, endotel (damarın iç tabaka hücreleri) kaynaklı sinyaller, biyokimyasal ve mekanik uyarılar olmaz. Doku organoidleri endotel hücreleri ile ko-kültüre edilerek veya daha sofistikesi endotel organoidleri ile doku organoidi birlikte kültürlenerek assembloidler geliştirmek mümkündür. Ancak tüm bu yaklaşımlarda mekanik ve endokrin uyarı eksiklikleri, perfüzyonsuz damarlar ve zaman kısıtlaması nedeniyle organoidler metabolik olgunlaşmasını tamamlayamaz ve en iyi ihtimalle fetal benzeri kalır. Uzun süreli kültürlerinde nekroz gelişir.
Organ-on-a-chip sistemleri ile organoidler arasında ne gibi farklar vardır?
Bir önceki soru bağlamında devam edersek kan akış dinamikleri (mekanik stresleri vs) Organ-on-a-chip sistemlerinde daha iyi taklit edilebilir, oksijen gradyenti kontrollüdür. Fizyolojik etkilerin daha iyi taklit edilmesi doğala daha yakın hücre sinyal iletimini, genetik düzenlenmeyi, hücre-iskelet sistemini ve dolayısı ile hücrelerin yerleşimini, hücre-hücre dinamiklerini, kontrollü inflamasyonu sağlar. Genel olarak ise Organ-on-a-chip sistemleri ve organoidler aslında birbirini tamamlayan sistemlerdir. Organoidler kök hücrelerden gelişerek kendini organize edebilen üç boyutlu mini doku modelidir. Organ-on-a-chip sistemleri ise mikroakış kanalları içinde mekanik ve biyokimyasal olarak kontrol edilen sistemlerdir. Organoidler kendiliğinden gelişir, Organ-on-a-chip ise doku fizyolojisini taklit etmeye yönelik tasarlanmış mühendislik ürünüdür. Organoidlerde doku mimarisi değişken, Organ-on-a-chip’de kontrollüdür. Hücre yerleşimi organoidlerde doğaldır. Yani hücreler kendi organize olur, Organ-on-a-chip’de önceden belirli kanallara ekimleri yapılır. Mekanik stesler gibi fizyolojik etkilerin kontrollü sağlanabilmesi nedeniyle çip üzerindeki organlar daha matür/olgundur, metabolizmaları daha yüksektir, organa özel fonksiyonları daha iyi gösterirler ve tekrarlanabilirliği yüksektir. Dolayısı ile standartlaşmaya daha uygundurlar. Perfüzyon sağlanabilmesi ve standartlaşmaya elverişli olmaları nedeniyle ilaç toksisite, farmokokinetik ve farmakodinamik çalışmalarında daha ön plana çıkmaktadırlar. Organoidler ise gelişim biyolojisi ve genetik hastalıkların patolojisinin araştırılmasında daha çok tercih edilmektedir.
Kök hücreler günümüzde hangi alanlarda ve hangi amaçlarla kullanılmaktadır?
Temel araştırmadan klinik uygulamaya kadar çok fazla alanda kullanılmaktadır. Kalıtsal metabolik hastalıklarda, lösemilerde, kemik iliği yetmezliğinde hematopoetik kök hücreler; rejeneratif tıp uygulamalarında mezenkimal kök hücreler; hastalık modellemelerinde, ilaç geliştirme, kişiselleştirilmiş tıp araştırmalarında, organ mühendisliğinde IPS hücreleri; ex vivo gen tedavilerinde hematopoetik ve IPS kök hücreleri; gen taşıyıcı sistemler ve aşı geliştirme platformu olarak mezenkimal kök hücreler kullanılmaktadır.
Gelecek 10 yılda kök hücre teknolojilerinin nasıl bir gelişim göstereceğini düşünüyorsunuz?
Multi-organ-on-a-chip, yapay dolaşım sistemlerinin, IPS hücre-tabanlı endokrin ve immün sistem yapılarının geliştirilmesinin, yapay zeka (AI) destekli sistem biyolojisi araştırmalarının, insan dokularının geliştirildiği kimerik hayvanlardan organ transplantasyonların hız kazanacağını düşünmekteyim. Bir yandan kalitesi ve genom kararlılığı yüksek IPS teknolojileri gelişirken diğer taraftan kişinin kendi hücrelerinden elde edilmiş IPS hücrelerinden geliştirilecek doku kök, öncül veya matür hücreleri ile kişiselleştirilmiş hücresel tedaviler, otolog kök hücre tedavileri artacaktır. Hücresel tedavilerdeki gelişmeler organ transplantasyonlarına ihtiyacı azaltabilir. Hastalıklı kök hücreleri düzeltebilecek hedef dışı etkilerin en aza indirildiği halihazırda kullanılanlara (ör. Crispr teknolojileri) alternatif geliştirilecek gen düzeltme araçları ile genetik hastalıkların in utero (anne karnında) tedavileri artacaktır. Etik düzenlemelerin ve regülasyonlarda da belirsizliklerin bazı boyutlarda azalırken bazı boyutlarda artacağını düşünmekteyim. Kök hücre teknolojilerinin hücresel ve gen tedavileri dışındaki alanlarda da etkileri olacaktır. Bunların arasında, kök hücrelerin genetik modifikasyonlarındaki gelişimler ile doping talepleri, yaşlanmanın geri çevrilmesinde gelişmeler ve bu gelişmeler kapsamında ortaya çıkacak sosyal/ekonomik/toplumsal etkiler önümüzdeki 10 yılın gündeminde olacaktır.
Kök hücre tabanlı tedaviler yüksek maliyetli ve çoğu deneysel ve klinik deneme aşamasındadır. Ekonomik üretim platformları henüz mevcut/yeterli değildir. Standardizasyonlar eksiktir. Sigorta ödemeleri yok veya sınırlıdır. İyi üretim şartlarını (GMP) sağlayan sürekli üretim hatları, otomasyon, robotik teknolojilerin bu üretimlere entegrasyonu, standardize hücre bankalarının yaygınlanlaşması, FDA/EMA/TITCK otoritelerinin düzenlemelerinin netleşmesi, güvenliği gözeterek hızlı onay süreçlerinin gelişmesi ile kök hücre teknolojilerinin kliniğe geçişine hız kazandırması ve belki maliyetlerin düşmesi de gelecek 10 yıl içindeki beklentiler dahilindedir.
Katkılarınız için çok teşekkür ederiz.
Ben teşekkür ederim.
