Türk bilim insanlarından çığır açan çalışma

SynBioLab, Boğaziçi Üniversitesi ve Türkiye Sağlık Enstitüleri Başkanlığı’ndan araştırmacılar, sağlık teknolojilerinde çığır açacak yeni bir çalışmaya imza atarak, vücut içinde belirli molekülleri gerçek zamanlı algılayabilen ve bu bilgiyi kablosuz olarak dışarı iletebilen ilk “canlı hücre tabanlı bir implant” geliştirdi.

Araştırmacılar, genetiği değiştirilmiş bakteriler ile elektronik bir anteni birleştirerek, pil gerektirmeyen bir biyosensör oluşturdu. İnsan vücudunda zamanla emilerek yok olabilecek implant, vücuttaki belirli moleküllerin varlığını tespit ederek hastalıkların erken teşhisini mümkün kılabilir.

Saygın bilimsel dergi Nature Communications’ta yayınlanan araştırma makalesi Ahmet Bilir, Merve Yavuz, Urartu Şeker ve Sema Dumanlı’nın imzasını taşıyor.

Yenilikçi makale, özellikle hastalık biyobelirteçlerinin yerinde ve anlık takibini mümkün kılması nedeniyle tıp dünyasında büyük ilgi uyandıracak.

CANLI HÜCRELERLE İNSAN VÜCUDUNDA OTOMATİK SAĞLIK TAKİBİ

Bugün kullanılan implant sensörleri çoğunlukla glikoz, pH, basınç veya elektriksel aktivite gibi fiziksel parametreleri ölçüyor. Ancak hastalıkların erken teşhisinde en kritik bilgiler olan moleküllere özgü biyobelirteçler mevcut teknolojilerle gerçek zamanlı takip edilemiyor.

Optik sistemler veya aptamer tabanlı sensörler bu sorunu çözmeye çalışsa da, çoğu fiber optik kablo gerektiriyor, batarya ve elektronik devre kullanıyor ya da kısa kullanım süresine sahip oluyor.

Bu nedenle bilim insanları, çözümü doğrudan biyolojinin kendisinde aradı: Canlı hücrelerde.

PİLSİZ ÇALIŞAN MAGNEZYUM ANTEN

İmplantın kendisi son derece minimalist bir tasarıma sahip: Magnezyumdan üretilmiş bir halka anten ve üzerine yerleştirilen genetiği değiştirilmiş bakteri kolonilerinden oluşuyor.

Bu anten zaman içinde kontrollü olarak parçalara ayrılacak şekilde tasarlandı. Bu ayrışma süreci antenin vücudumuzda olan biteni dışarıya aktarabilmesi için elzem. Zira dışarıdaki “okuyucular”, bu ayrışma sürecini izleyerek belirli bir hastalığa işaret eden molekülün vücudumuzda var olup olmadığını anlayabilecek.

İlk olarak dışarıdaki okuyucu anten, söz konusu implantı uyaran radyo dalgaları gönderiyor ve implantın o anki fiziksel durumuna göre geri yansıyan sinyali analiz ederek bozulma sürecini tespit ediyor. Sistem böylece, bir biyolojik hücrenin verdiği kimyasal yanıtı herhangi bir pil, çip veya devreye ihtiyaç duymadan bir kablosuz sinyale dönüştürmüş oluyor.

Araştırmanın yazarlarından ve SynBioLab’in kurucusu Urartu Şeker, “Hastada ısı değişikliği oldu, yani ateşe çıktı. Ya da bir enflamasyon oldu, yani iltihabi bir durum meydana geldi. Bunların hepsi esasında birer sinyaldir. Biz bunu antenin özelliklerini değiştirecek bir hale çevirdik” diyor.

DİYABETTEN BÖBREK SAĞLIĞINA: “DOKUNMADIĞI TIBBİ ALAN KALMAYACAK”

Çalışma, özellikle kanser, inflamasyon veya metabolik hastalıklarda kritik rol oynayan biyobelirteçlerin sürekli olarak izlenebilmesine kapı aralayarak tıp dünyasında yeni bir çağın başlangıcı olarak görülüyor.

NTV’ye konuşan Şeker, “Bununla ilgili pek çok çalışmamız var. Örneğin ağır metalleri algılayıp buna göre bir optik sinyal üreten bir bakteri çalışmamız var. Bir diğer çalışmamızda bakteri üre ve üre kalitesini tespit ediyor ki bu ikisi böbrek sağlığını takip etmek için kullanılır” ifadelerini kullanıyor:

“Örneğin Ozempic gibi tedavilerin kullanıldığı alanlarda da bakteriler işlevli. Bizim bir diğer çalışmamızda glikozu algılayıp Ozempic’tekine benzer bir proteini kana veren bir probiyotik bakteri yer alıyor.”

Şeker’e göre bu yenilikçi sistem gündelik hayatta kullanılabilir hale geldiğinde dokunmadığı tıbbi alan kalmayabilir.

Çalışma, “yaşayan hücrelerle kablosuz tıbbi izleme” döneminin başlangıcı olabilir ve özellikle kronik hastalıkların seyri ile kanser gibi erken teşhis gerektiren durumlarda sağlık sistemine köklü bir dönüşüm getirebilir.

Çalışmada kullanılan yaklaşım, sentetik biyolojinin sunduğu genetik programlama olanakları sayesinde mümkün oldu.

Sentetik biyoloji, canlıları tıpkı mühendislik nesneleri gibi tasarlama bilimi. Bu alanda çalışan bilim insanları canlı organizmaları (bakteri, maya, bitki, insan hücreleri vb.) yeniden programlamayı ve onlara doğada olmayan yeni işlevler kazandırmayı amaçlıyor.

Benzer şekilde bu çalışmanın arkasındaki araştırmacılar da bağırsaklarımızda yaşayan E. coli bakterilerinin genetiğini belirli hastalıkların molekülllerine tepki verecek şekilde yeniden düzenledi.

Ekip, “Shewanella oneidensis” adlı başka bir bakteri türünden aldıkları proteinleri E.coli bakterilerine yerleştirdi. “Cytochrome c” adlı bu protein hücre dışına devamlı elektron aktarımı yapıyor. Böylece yeni bir molekül algılandığında bakteriler, antenin magnezyum yapısını normalden daha hızlı aşındırıyor ve bu aşınma, antenin elektromanyetik davranışını değiştirerek dışarıdan tespit edilebilir bir sinyal haline geliyor.

Şeker, tüm bu süreci, “Bütün bakteriler bizim hücrelerimizde çevreyle elektron alışverişinde bulunur çevreyle. Bu normal bir şey. Ama Kuzey Denizi’nde yaşayan Shewanella oneidensis bakterisi etrafında tellere benzeyen protein yapıları var. Oradan etrafa sürekli elektron göndererek bunu solunum için kullanıyor. Biz proteinleri toparlayarak E.coli bakterisinin içerisine koyduk” diye açıklıyor:

“Esasında bir sinyal gönderiyoruz. Dışarıdan gelen bu sinyali bakteri başka bir çıktıya çeviriyor. Bu çevirdiği çıktı esasında magnezyumu aşındıracak elektron transferi.”

İNSAN VÜCUDUNA DENK BİR ORTAMDA SİNYAL ÜRETMEYİ BAŞARDI

Araştırma ekibi, geliştirdikleri yöntemin gerçek bir vücut ortamına benzer koşullarda çalıştığını göstermek için implantı kas dokusunu taklit eden sıvı bir modelin içine yerleştirdi.

Çalışmanın en dikkat çekici bulgusu, sistemin 25 milimetre implant derinliğinde (insan vücudundaki gerçek kullanım koşullarına denk bir mesafede) kablosuz olarak okunabilir net bir sinyal üretebilmesiydi.

Bu başarı, biyolojik bir hücre yanıtının ilk kez tamamen pasif bir radyo anteni üzerinden dış dünyaya aktarılabildiğini gösteren bir kavram kanıtı oldu.

İLK HEDEF ENFEKSİYONLAR

Araştırmacılar bu teknolojinin gelecekte çok daha geniş bir yelpazede kullanılabileceğini belirtiyor. Çünkü genetik devrenin çalışma prensibi değişmediği sürece bu sistem, kanser belirteçleri, enfeksiyon göstergeleri, toksinler, metabolik maddeler veya hormon benzeri birçok biyomolekülü algılayacak şekilde yeniden programlanabilir.

Üstelik implantın magnezyumdan yapılmış olması, zamanla vücut tarafından emilmesini sağlayarak güvenli bir kullanımı da mümkün kılabilir. Pil gerektirmemesi ve elektronik devre içermemesi ise hem hem maliyeti düşürebilir hem de uzun süreli kullanımda cihazın arızalanma ihtimalini ortadan kaldırabilir.

Ancak tüm bunlar hayata geçmeden önce sistemin hayvanlar ve insanlar üzerinde deneneceği klinik deneylerden geçmesi gerekiyor.

Bilim insanları, sistemin daha fazla biyomolekülle çalışabilmesi için yeni genetik devreler geliştirmeyi, hayvan deneylerine geçmeyi ve kablosuz okuma hassasiyetini artırmayı hedefliyor.

Hayvanlı deneylere her an başlanabileceğini aktaran Şeker, “Enfeksiyon hastalıklarındaki enflamasyonla başlayacağız. Bu özellikle de immün terapi alan hastalarda çok büyük problem” diyor.

“Küresel ısınmayla birlikte enfeksiyonlar konusunda büyüyen bir durum var. Sadece bakteri değil, küf ve mantar enfeksiyonları da yoğun. Bunların oluşturduğu sinyaller ve neden oldukları enfeksiyonlar var. Bunları takip edecek bir tasarım yapıyoruz.”

BİZİ NASIL BİR ÇAĞ BEKLİYOR?

Kulağa bilimkurgu bir yenilik gibi geldiğini ifade eden Şeker, gelecekte insanların belki de sadece bir kapsül yutarak vücutlarının sürekli tarandığı bir teşhis ortamı yaratılabileceği görüşünde.

Şeker, “Şu anda da benzer haplar, gastrointestinal hastalıkların takibinde ya da görüntülemesinde kullanılıyor” diyor.

Bilim insanına göre bu alandaki en önemli olanaklardan biri de erken teşhis olacak.

Şeker, “Sağlıklı birey bir kapsül aldığında bu kapsül bağırsaklarında yaşarken sinyalleri toplayacak. Topladıktan sonra dışarıya sürekli bilgi aktaracak” diye ekliyor:

“Aktardıkları bilgiler aynı zamanda, örneğin kolon kanserinin erken evrelerindeki gelişiminde ortaya çıkan verileri de içerecek.”