Harvard Üniversitesinde çalışan araştırmacılar, Emory Üniversitesinde çalışan meslektaşlarıyla beraber insan kök hücrelerinden elde edilmiş kalp kas hücrelerinden yapılan ve tamamen otonom olan ilk biyomelez balığı geliştirmişler. Yapay balık, pompalama yapan bir kalbin kasları gibi kasılarak yüzüyor. Yeni gelişme, araştırmacıları daha karmaşık yapay kas pompası geliştirmeye ve kalp ritim bozukluğu gibi kalp hastalıklarının inceleneceği bir platform oluşturmaya bir adım daha yaklaştırıyor.
Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesinde biyomühendislik ve uygulamalı fizik profesörü olan kıdemli yazar Kit Parker, “Nihai hedefimiz, bir çocukta kusurlu şekilde oluşan kalbin yerini alacak yapay bir kalp üretmek” diyor. “Kalp dokuları veya kalplerde gerçekleştirilen ve aralarında bizim yürüttüğümüz bazı çalışmaların da bulunduğu çoğu çalışmada, mühendislik uygulanan dokularda anatomik özelliklerin veya kalbin basit şekilde atışının tekrarlanmasına odaklanılmış. Fakat bu çalışmada daha zor bir şey yaparak, tasarımımızda kalbin biyofiziğinden ilham aldık. Şimdiyse kalp taramasını plan şeklinde kullanmak yerine, kalbi çalıştıran biyofiziksel ilkeleri belirliyor ve onları tasarım kriteri şeklinde kullanarak yaşayan bir sistemde, yüzen bir balıkta tekrarlıyoruz. Başarılı olup olmadığımızı burada daha kolay görüyoruz.”
Çalışma iki gün önce Science bülteninde yayımlandı.
Araştırmacıların geliştirdiği biyomelez balık, Parker’in Hastalık Biyofiziği Grubu’nca yürütülen önceki araştırmalara dayanıyor. Laboratuvar, 2012 yılında farelerden alınan kalp kas hücrelerini kullanarak deniz anası benzeri biyomelez bir pompa oluşturmuş. 2016 yılında ise yine farelerin kalp kas hücreleri kullanılarak yüzen, yapay bir vatoz balığı geliştirilmiş.
Yeni araştırmada ekip, insan kök hücrelerinden elde edilen kardiyomiyositlerden yapılan ilk otonom biyomelez aygıtı oluşturmuş. Aygıtta, zebra balığının şeklinden ve yüzme hareketinden ilham alınmış. Biyomelez zebra balığı, önceki aygıtlardan farklı olarak kuyruk yüzgecinin her iki tarafında birer tane olmak üzere iki adet kas hücresi katmanına sahip. Bir taraf kasıldığı zaman diğeri gevşiyor ve bu gevşeme, mekanik açıdan hassas bir protein kanalının açılmasını tetikliyor. Kanalın açılması sonucunda kasılma meydana geliyor ve bu kasılma da bir gevşemeyi tetikliyor. İşlem böyle devam ediyor ve balığı 100 günden fazla süre ittirebilen kapalı bir döngü sistemi meydana geliyor.
Çalışmanın birinci yazarı ve doktora sonrası araştırma görevlisi olan Keel Yong Lee, “İki kas katmanı arasındaki mekano-elektriksel kalp sinyallerini sonuna kadar kullanarak, her kasılmanın diğer taraftaki gevşemeye yanıt olarak kendiliğinden gerçekleştiği bir döngü oluşturduk” diyor. “Elde edilen sonuçlar, kalp gibi kas pompalarında geri besleme mekanizmalarının rolünü vurguluyor.”
Araştırmacılar ayrıca kalp pili gibi otonom bir hız denetim boğumu oluşturarak, kendiliğinden meydana gelen bu kasılmaların sıklığı ve ritmini kontrol etmişler. Oluşturulan iki kas katmanı ve otonom hız denetim boğumu, ileri geri doğru kendiliğinden ve sürekli şekilde gerçekleşen eşgüdümlü yüzgeç hareketlerinin oluşturulmasını sağlamış.
Önceden Hastalık Biyofiziği Grubu’nda doktora sonrası araştırma görevlisi olan eş birinci yazar Sung-Jin Park, “Bu iki dahili hız denetim mekanizması sayesinde balığımız, önceki çalışmaya göre daha uzun yaşıyor, daha hızlı gidiyor ve daha verimli yüzüyor” diyor. “Yeni araştırma, mekano elektriksel sinyallerin hem kalp ritmi yönetiminde bir tedavi hedefi biçiminde araştırılması, hem de sinoatriyal düğüm bozuklukları ve kalp ritim bozukluğunun patofizyolojisini anlama bakımından model teşkil ediyor.”
Bu biyomelez balık, buzdolabınızdaki balıkların aksine zamanla gelişiyor. Balığın kas kasılma genişliği, azami yüzme hızı ve kas eşgüdümü, kardiyomiosit hücrelerinin olgunlaştığı ilk ayda artış göstermiş. Nihayetinde bu biyomelez balık, doğadaki zebra balığına benzer hızlara ve yüzme verimliliğine ulaşmış.
Araştırma takımının sıradaki hedefi, insan kalp hücrelerinden çok daha karmaşık biyomelez aygıtlar oluşturmak.
“Oyun hamurundan da model bir kalp yapabilirim ama bu, bir kalp yapabileceğim anlamına gelmez” diyor Parker. “Bir kabın içerisinde zonklayan bir boğum haline gelene kadar rastgele tümör hücreleri yetiştirebilir ve ona bir kalp organoidi diyebilirsiniz. Fakat bunların hiçbiri, tasarımı itibarıyla hayatınız boyunca bir milyardan fazla kez atan ve bu esnada da hücrelerini yeniden oluşturan bir sistemin fiziğini tekrarlamaz. İşte asıl mesele bu. Biz de burada çalışma yapacağız.”
Yazar: Leah Burrows/Harvard Üniversitesi – John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
