Biyomühendisler, fonksiyonları ve yapısal özellikleri fare beynine benzeyen üç boyutlu beyin benzeri bir doku oluşturdu ve bu doku laboratuvarda iki aydan fazla canlı kalabildi.
Araştırmacılar beyin-benzeri dokunun potansiyeline yönelik ilk örnekler olarak, bu dokuyu travmatik beyin hasarının hemen ardından gerçekleşen elektriksel ve kimyasal değişiklikleri araştırmak için kullandılar. Yine ayrı bir deneyde bir ilaca karşı oluşan cevabın neden olduğu değişikliklerde yapay doku yardımıyla araştırıldı. Beyin-benzeri doku, normal beyin fonksiyonlarının yanı sıra beyin hasarı ve hastalıkları konusunda ve yine beyindeki fonksiyonel hastalıklar için yeni tedaviler geliştirilmesi konusunda üstün nitelikli bir model olmayı başardı.
Beyin-benzeri doku Boston’daki Tufts Üniversitesi’nde Amerikan Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik Enstitüsü’nün yeni biyomalzemeler ve doku mühendisliği modelleri geliştirmek için kurduğu Doku Mühendisliği Kaynak Merkezi’nde geliştirildi. Tufts Üniversitesi’nden Prof. David Kaplan, söz konusu merkezin yöneticisi ve aynı zamanda dokuyu geliştirmek için yapılan çalışmanın da başında.
Halihazırda, bilim insanları petri kaplarında ürettikleri nöronların kontrol edilebilir bir ortamdaki davranışlarını inceleyerek araştırmalar yapıyor. Fakat iki boyutta büyüyen bu nöronlar gerçek beyin dokusunun kompleks yapısal özelliklerini ve akmadde (white-matter), boz madde (grey-matter) şeklinde ayrılmış formunu yansıtacak şekilde bölünemiyor. Beyinde boz madde esas olarak nöronların hücre gövdelerinden oluşurken, ak madde ise nöronların birbiriyle iletişimini sağlayan uzantılar olan akson demetlerinden oluşuyor. Beyin hasarı ve hastalıkları bu alanları farklı biçimlerde etkilediği için, kullanılacak modellerin ak madde ve boz madde şeklinde bölümlenmiş bir yapıda olması gerekiyor.
Tufts Üniversitesi’nde geliştirilen üç boyutlu beyin-benzeri doku ak ve boz madde ayrımına sahip ve laboratuvarda iki aydan fazla yaşayabiliyor. Doku mühendisliği bölümünden Rosemarie Hunziker: “Bu olağanüstü bir başarı. Bu çalışma beyin fizyolojisindeki derin anlayış ile geniş ve gittikçe gelişen biyomühendislik araçlarını bir araya getirerek, beyin fonksiyonlarını taklit edebilecek gereklilik ve yeterliliklere sahip bir ortam geliştirdi.”
Beyin-benzeri dokunun geliştirilmesindeki anahtar nokta, farklı fiziksel özelliklere sahip iki biyomateryalden oluşan orijinal bir kompozit yapıydı. Bu biyomateryaller ipek proteininden meydana gelen süngersi bir iskele yapı ve daha yumuşak olan kollajen bazlı bir jelden oluşuyor. İskele yapı nöronların birbirine tutunmasında rol alırken, kollajen bazlı jel ise aksonların jel boyunca büyümesini sağlıyor.
Ak ve boz madde ayrımını elde edebilmek için araştırmacılar süngersi iskeleyi halka şeklinde keserek fare nöronlarıyla doldurdular. Daha sonra bu halkanın içini iskele yapıyı da kaplayacak şekilde kollajen bazlı jelle doldurdular. Yalnızca birkaç gün içerisinde nöronlar iskele yapıdaki delikler aracılığıyla fonksiyonel bir bağlantı ağı oluşturdu ve halkanın ortasına doğru uzattıkları daha uzun aksonlar yoluyla karşı tarafta bulunan nöronlarla da bağlantı kurdu. Sonuçta birbirinden ayrı bir ak madde ve boz madde yapısı elde edilmiş oldu.
İzleyen birkaç haftalık süreçte araştırmacılar üç boyutlu beyin-benzeri dokuda geliştirdikleri nöronların sağlığı ve fonksiyon düzeylerini belirlemek ve onları, yalnızca jel içeren iki boyutlu petri kabı ortamında geliştirilen nöronlarla karşılaştırmak amaçlı birtakım deneyler yaptılar.
Sonuçlar üç boyutlu beyin benzeri ortamda gelişen nöronların, nöron gelişim ve fonksiyonuyla ilgili genleri daha yüksek oranda aktive ettiklerini gösterdi. Ayrıca iki boyutlu ortamda gelişen nöronların hücresel sağlığı 24 saat içerisinde bozulurken, üç boyutlu ortamda gelişen nöronlar 5 haftaya yakın bir süre boyunca kararlı bir metabolik aktivite gösterdi. Fonksiyon deneyleri de üç boyutlu ortamda gelişen nöronların elektriksel aktivite veya duyarsızlık açısından sağlam beyin dokusunu taklit edebildiğini gösterdi. Örneğin beyin benzeri-dokunun bir nörotoksine verdiği tipik elektrofizyolojik yanıt biçimi sağlam beyinle aynıydı.
Üç boyutlu beyin-benzeri doku, kemirgen beyin dokusuna benzer özellikler gösterdiğinden, araştırmacılar bu dokuyu travmatik beyin hasarını araştırmak için kullanıp kullanamayacaklarını anlamaya çalıştılar. Travmatik beyin hasarını simüle etmek için beyin-benzeri dokunun üzerine bir ağırlık değişik yüksekliklerden bırakıldı. Araştırmacılar daha sonra bu nöronların elektriksel ve kimyasal aktivitelerindeki değişiklikleri kaydettiler. Sonuçlar, travmatik beyin hasarı konusunda hayvan deneylerinde gözlemlenen sonuçlarla benzerdi. Prof. Kaplan, “Sahip olduğumuz bu sistemle esas olarak travmatik beyin hasarına dokunun cevabını gerçek zamanlı olarak izleyebiliyoruz. En önemlisi, ilk andan itibaren ve uzun zaman periyotları boyunca, doku tamir mekanizmasının da izini sürebiliyoruz” diyor.
Kaplan, diğer beyin hastalıklarını araştırmak açısından beyin-benzeri dokunun uzun ömürlü olması gerektiğini özellikle vurguluyor: “Bu dokuyu laboratuvarda aylarca canlı tutabilmemiz, gözlem için uzun zaman aralıkları gerektiren nörolojik hastalıkları incelememize olanak sağlıyor.”
Kaplan ve ekibi doku modelini gerçek beyin dokusuna daha fazla benzetmenin yollarını arıyor. Bu modeli nasıl modifiye edebileceklerini de açıklıyorlar. Buna göre tek halka ve iskele yapı yerine, altı tane eş merkezli halka kullanılarak her bir halka farklı tip nöronlarla doldurulacak. Böylece insanın beyin korteksindeki farklı tip nöronlardan meydana gelmiş altı tabakalı yapıya benzer bir yapı elde edilebilecek.
