Organoidlerin Türetilmesi ve Araştırmalarının Potansiyeli
M.Feray Çoşar - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi
Son zamanlarda kök hücre kültürü üzerinde yapılan araştırmalar ve elde edilen gelişmeler, gerçek organların bazı temel çok hücreli, anatomik ve hatta işlevsel özelliklerini yakalayan mikrometreden milimetre ölçeğine kadar değişen formlarının (organoid) üretilmesini mümkün kılmıştır. Özellikle insan üzerinde doku ve organlar üzerinde işlem yapılmak istendiğinde numuneye erişilebilirlik ve etik kaygılar büyük bir engel olarak araştırmacıların karşısına çıkmaktadır. Pek çok işlevesel özelliğe sahip olan organoidlerin organ gelişimi ve hastalıkları modellemek için kullanılabilmesinin yanında temel araştırma, ilaç keşfi ve rejeneratif tıpta geniş bir uygulama yelpazesine sahip olduğu bilinmektedir. Organ fizyolojisini 2D hücre kültürü sistemlerinde inceleme fırsatı sağlayan organodilerin geliştirilmesi için biyomühendislik alanlarından ilham alınarak çalışmalar sürdürülmektedir. [1,2]
Organoidler üretim aşamasında birden çok faktörden etkilenir. Bunlardan ilki kullanılan kültür ortamının fiziksel özellikleridir. Sistemin endojen veya eksojen sinyaller için gereksinim duyması; başlangıç hücre tipi ve sistem koşulları organoidlerin başarılı bir şekilde türetilmesi için çok önemli faktörlerdir. Hedeflenen organoid tasarımında bu özelliklerin her biri ile ilgili yapılan seçimler, son organoidin özelliklerini etkileyebilir. [1,2]
Kültür ortamının fiziksel özellikleri içerisinde en çok kullanılan sentetik matris tercihlerinden üç boyutlu bir ağ hücre dışı makromoleküllere ( kollajen , enzimler, glikoproteinler vs.) yapı ortamı sağlayan ve biyokimyasal olarak hücrelere destek olan hücre dışı matrisin (ECM) ön plana çıkmaktadır. ECM’nin çalışılan kültür ortamı içerisindeki konsantrasyonları bile organoid yapısını etkiler. [1] Çoğu organoid, belirli zaman noktalarında spesifik hücrelerin özelleşmeye başlamasına yol açan sinyal moleküllerine (morfojenlere) maruz bırakılmış bir başlangıç hücre popülasyonundan türetilir ve bu, istenen gelişimsel sinyal yollarının aktivasyonu ile sonuçlanır. Buna karşılık, bu sinyaller kendi kendine organizasyonu tetikleyebilir, ancak yalnızca sistemde gerekli tüm bileşenler varsa. Geçerli tüm bileşenlerden biri eksik olduğunda kendi kendine organizasyonun uygun şekilde ilerlemesi için eksik bileşenler dışarıdan eklenmelidir. Organoid türetme protokollerinin çoğu, spesifik eksojen sinyallerin dışarıdan sağlanmasını gerektirir çünkü ilk hücresel sistem, istenen kendi kendine organizasyon sürecinden geçmek için gerekli tüm bileşenleri içermez. Bazı durumlarda, eksojen sinyaller yalnızca başlangıçtaki hücre tiplerinin oluşumu için gereklidir, bu daha sonra kendi kendini organize etmenin geri kalan adımlarından geçmek için sistem endojen sinyallerine güvenir. . Organoidler tek bir hücre tipinden türetildiğinde (optik çanak veya ince bağırsak organoidlerinde olduğu gibi), hücre popülasyonunun kendi kendine organizasyonu zorunlu olarak asimetrik yapıyı ve ardından farklı hücre tiplerinin uzamsal olarak ayrılmış alanlarını oluşturmak için modelleme ortamını içerir. Bu desenli yapı daha sonra nihai organoid mimariyi elde etmek için dışarıdan etki ettirilen morfogenetik yeniden düzenlemelere tabi tutulabilir. Genel olarak, bir organoid türetme protokolü tek bir hücreden başladığında, kendi kendine organizasyon gerçekleşmeden önce erken bir hücre genişletme adımı gereklidir. [1,2]
İnsan dişi üreme sistemi üzerine yapılan organoid modellemeleri, endometriyum veya fallop epitelinin fonksiyonel tabakasını yeniden oluşturma potansiyelinden dolayı doku onarımına katkıda bulunabilir ve kısırlığı veya menopozun erken başlangıcını önleyebilir. Bunlara ek olarak, organoidler, kanser oluşum süreci (karsinojenez), ilaç etkinliği, çikolata kisgti olarak bilinen endometriozisinlerin sebep olduğu fonksiyon bozuklukları ve metabolizma yollarının, patojen etkileşimlerinin ve hormon reaksiyonlarının araştırılması için yararlı bir çalışma sahası sunmaktadır. [5,6]
Beyin için yapılan organoid çalışmaları, ilaç etkilerini araştırmak gibi pek çok gözlemleme imkanı sunsa da beraberinde pek çok etik sorunu da beraberinde getirmektedir. Araştırma gözetimi; insan biyomateryali tedariki ve kullanılacak donör onayı; çeviri teslimatı; hayvan araştırması; ve organoid bilinç ve ahlaki durum düzeyi ana temaları içerisinde sorunlar kendini göstermektedirler. [8]
Organoidlerin pek çok sistem ve organ için başlıca yararlarından birisi kanser tedavisi içerisinde hastaya ait tümör yapısının birebir kopyası üzerinde çalışmaya imkan sunmasıdır. Bu tümör organoidleri, donör tümörün genomik ve moleküler özelliklerini birebir miras alır; bu, yalnızca genom ve fenotip arasındaki boşluğu doldurmakla kalmaz, aynı zamanda fare vb denek hayvanlardan elde edilenlere nazaran birebir örnek kullanımı sunar. Bu nedenle kanser organoidi, preklinik ilaç değerlendirmesine, biyobelirteç tanımlamasına, biyolojik araştırmaya ve kişiselleştirilmiş tedaviye yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu tip organoidlerinin bir diğer avantajı ise korunabilir, yeniden canlandırılabilir, sonsuza kadar geçirilebilir ve ilaç taraması için bir çip üzerinde mekanik olarak kültürlenebilir olmasıdır. Bu tip sebeplerden ötürü in vitro klinik öncesi denemede düşük / yüksek verimli ilaç taraması için kısmi modellerden biri haline gelmiştir.[10]
Referanslar
1. Rossi, G., Manfrin, A. & Lutolf, M.P. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet 19, 671–687 (2018). https://doi.org/10.1038/s41576-018-0051-9
2. Kratochvil, M.J., Seymour, A.J., Li, T.L. et al. Engineered materials for organoid systems. Nat Rev Mater 4, 606–622 (2019). https://doi.org/10.1038/s41578-019-0129-9
3. Find the resources you need to get started with organoids at the Organoid Information Hub - Cell Culture Dish. (2020). Retrieved on 15 October 2020, from https://cellculturedish.com/find-the-resources-you-need-to-get-started-with-organoids-at-the-organoid-information-hub/
4. Organoidler: Hastalık Modellemenin Geleceği mi? - KURIOUS. (2020). Retrieved on 14 October 2020, from https://kurious.ku.edu.tr/haberler/organoidler-hastalik-modellemenin-gelecegi-mi/
5. Turco, M. Y., Gardner, L., Hughes, J., Cindrova-Davies, T., Gomez, M. J., Farrell, L., Hollinshead, M., Marsh, S., Brosens, J. J., Critchley, H. O., Simons, B. D., Hemberger, M., Koo, B. K., Moffett, A., & Burton, G. J. (2017). Long-term, hormone-responsive organoid cultures of human endometrium in a chemically defined medium. Nature cell biology, 19(5), 568–577. https://doi.org/10.1038/ncb3516
6. Cui, Y., Zhao, H., Wu, S. et al. Human Female Reproductive System Organoids: Applications in Developmental Biology, Disease Modelling, and Drug Discovery. Stem Cell Rev and Rep (2020). https://doi.org/10.1007/s12015-020-10039-0
7. Organoids. (2020). Retrieved on 14 October 2020, from https://hilllab.dana-farber.org/organoids.html
8. Hyun, I., Scharf-Deering, J. C., & Lunshof, J. E. (2020). Ethical Issues Related to Brain Organoid Research. Brain Research, 146653. doi:10.1016/j.brainres.2020.146653
9. Rajendra Kumari, P. (2020). How to Use Tumor Organoids for Immuno-Oncology Applications. Retrieved on 14 October 2020, from https://blog.crownbio.com/how-to-use-tumor-organoids-for-immuno-oncology-applications
10. Liu, C., Qin, T., Huang, Y., Li, Y., Chen, G., & Sun, C. (2020). Drug screening model meets cancer organoid technology. Translational Oncology, 13(11), 100840. doi: 10.1016/j.tranon.2020.100840