San Diego Kaliforniya Üniversitesi Doç. Duygu Kuzum liderliğindeki bilim insanları ve mühendisler dünyada ilk kez, farelere insan beyin organoidleri naklederek görsel stimülasyon sağladı. Nakil sayesinde hayvanların korteks ve dış duyusal uyaranlara karşı tepki verdiği gösterildi. Kuzum laboratuvarı tarafından geliştirilen şeffaf grafen mikro-elektrot dizilimi ile iki fotonlu görüntülemeyi birleştiren yenilikçi bir deney düzeneği sayesinde, nakledilen organoidlerin, çevresini saran dokuyla aynı şekilde görsel uyarana tepki verdiği gerçek zamanlı olarak gözlenebildi. / Oğuz Sezgin-Gerçek Bilim
Kaliforniya San Diego Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde öğretim üyesi olan Duygu Kuzum liderliğindeki ekip, Nature Communications dergisinin 26 Aralık sayısında bulgularını anlattı.
Kuzum’un ekibi, Anna Devor’un Boston Üniversitesi’ndeki laboratuvarından, Alysson R. Muotri’nin UC San Diego’daki laboratuvarı; ve Fred H. Gage’in Salk Enstitüsündeki laboratuvarındaki araştırmacılarla ortak çalışıldı. Deri hücrelerinden alınan insan indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden üretilen insan kortikal organoidleridir. Normalde bu beyin organoidleri nörolojik durumları araştırmak için geliştiriliyor. Bugüne kadar hiçbir araştırma ekibi, fare korteksine yerleştirilen insan beyni organoidlerinin aynı işlevsel özellikleri paylaşabildiğini ve uyaranlara aynı şekilde tepki verebildiğini gösterememişti. Çünkü, beyin fonksiyonlarını kaydetmek için kullanılan teknolojilerin sınırlı olduğundan ve genellikle birkaç milisaniye süren aktiviteyi kaydedemiyordu. Kaliforniya San Diego Üniversitesi’nin liderliğindeki ekip, bu problemi çözmek için şeffaf grafenden üretilen mikroelektrot dizileriyle, iki fotonlu görüntülemeyi birleştirdi. Bu mikroskopi tekniği 1 mm’ye kadar canlı dokuları görüntüleyebiliyor. “Bugüne kadar hiçbir araştırmada hep optik hem de elektriksel kayıt yapılamıyordu. Bizim yaptığımız deneyde ise organidlerde görsel stimülinin, elektro-fizyolojik tepkiler oluşturabildiği açığa çıkarılarak, korteksi saran tepkilerle eşlendiği gözlendi,” diyor Kuzum araştırma laboratuvarından araştırmanın ilk yazarı Madison Wilson. Araştırmacılar bu yeni teknik sayesinde organoidlerde inovatif nöral kayıt teknolojileri geliştirerek, beyin gelişimi ve hastalıklar için modeller geliştirmek istiyor. Ayrıca nöral prostetiklerde kullanarak kayıp,dejenere veya hasarlı beyin bölgelerinde fonksiyonları onarımını araştırmayı amaçlıyor.
Şeffaf Grafen Elektrotlar İlk Kuzum Laboratuvarı’nda Geliştirildi
Kuzum laboratuvarı ilk kez 2014 yılında transparan grafen elektrotları geliştirdi ve o günden beri teknolojiyi geliştiriyor. Araştırmacılar platin nanoparçacıklar kullanarak elektrotları şeffaf tutarken, empedansı 100 kata kadar düşürebiliyor. Düşük empedanslı grafen elektrotlar sayesinde makro ve hücre boyutunda nöral aktiviteyi görüntülemek ve kaydetmek mümkün oluyor. Nakledilen organoidlerin tepesine bu grafen elektrotlardan bir dizi yerleştirmek kaydıyla,hem organoid hem de etrafını saran konak korteksteki nöral aktiviteyi kaydetmek mümkün oldu. İki fotonlu görüntüleme sayesinde organoide doğru büyüyen fare kan damarlarının gerekli besinleri ve oksijeni sağladığı görüldü. Araştırmacılar, fareler iki fotonlu mikroskopi altındayken, implante edilmiş organoidlere sahip farelere görsel optik beyaz ledle uyardı. Organoidlerin üzerindeki elektrot kanallarında, organoidlerin saran dokuyla aynı şekilde tepki verdiğini gösteren elektriksel aktivite gözlemlediler. Düşük gürültülü grafen elektrot sayesinde, organoidler ve etrafının saran fare korteksinde elektriksel değişken aktivite gözlemlendi. Grafen kayıtları sayesinde fare görsel korteksinde, gama salınım gücünde ve faz kilitlenmelerde artış görüldü. Bulgular nakilden 3 hafta sonrasında, çevredeki korteks dokusuyla sinaptik bağlantılar kurduğunu ve fare beyninden işlevsel girdi aldığını gösteriyor. Araştırmacılar 11 hafta kadar deneye devam ettiğinde insan beyin organoidleriyle, fare konak korteksi arasında fonksiyonel ve morfolojik entegrasyon sağlandığını gösterdi. Sonraki adımda, nörolojik hastalık modellerini içeren daha uzun deneylerin yanı sıra, organoid nöronlardaki ani aktiviteyi görselleştirmek için deney kurulumunda kalsiyum görüntülemeyi eklemeyi düşünüyor. Organoid ve fare korteksi arasındaki aksonal projeksiyonları izlemek için başka yöntemler de kullanılabilir. “Yolun ilerisinde, kök hücreler ve nörokayıt teknolojilerinin kombinasyonunu kullanarak, hastalık modelleri oluşturarak, hastaya spesifik organoidler üzerine aday tedavileri incelemek ve kayıp, dejenere ya da hasarlı beyin bölgelerini onarma potansiyellerini gözden geçirmek istiyoruz,” diyor Doç. Duygu Kuzum .
Araştırma National Institutes of Health ,Research Council of Norway ve National Science Foundation tarafından fonlanmaktadır.
Duygu Kuzum ve ekibini bu muhteşem çalışmasından dolayı tebrik ederiz. Organoidler geleceğin teknolojileri olarak gösterildiğinden, bu çalışmanın gerçekten önü açık. Bu çalışma sayesinde ilaçlar insanlar üzerinde denenmeden önce insan organoidleri üzerinde denenerek, elektrik ve optik stimülasyonla incelenebilir.
Duygu Kuzum , Massachusetts Institute of Technology’nin (MIT) 2014’de 15. kez yaptığı en yaratıcı zeki insanlar listesinde 2014’de yer almıştı.
Kaynak ve Referansı: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/12/221229115657.htm
Madison N. Wilson, Martin Thunemann, Xin Liu, Yichen Lu, Francesca Puppo, Jason W. Adams, Jeong-Hoon Kim, Mehrdad Ramezani, Donald P. Pizzo, Srdjan Djurovic, Ole A. Andreassen, Abed AlFatah Mansour, Fred H. Gage, Alysson R. Muotri, Anna Devor, Duygu Kuzum. Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-35536-3
