Menü Kapat

Optogenetik Nedir? Uygulama Alanları Nelerdir?

Klinisyenlerin ve araştırmacıların büyük çabalarına rağmen, psikiyatrik hastalıklara yönelik sınırlı bakış açımız tedavi araştırmalarını aksatmaktadır. Açıkçası, psikiyatride yeni cevaplara ihtiyacımız var. Fakat, bilim felsefecisi Karl Popper’ın söylediğine göre, cevapları bulmadan önce, yeni sorular sormaya ihtiyacımız var. Başka bir deyişle, yeni bir teknolojiye gereksinim var.

Sinirbilim alanında yeni tekniklerin geliştirilmesi oldukça zordur. Çünkü, memeli beyni, değişik özelliklerde on milyarlarca nöronun birbirine dolaşmış şekilde bulunduğu karmaşık bir sistemdir. Bu karmaşık durum yüzünden, sinirbilimciler beynin işlevlerini ve beyindeki özel hücre topluluklarının düşüncelere, hislere ve anılara nasıl yol açtığını tam olarak kavrayamamışlardır. Ek olarak beyindeki fiziksel hasarların, şizofreni ya da depresyon gibi bozukluklara nasıl yol açtığı da henüz bilinmemektedir. Psikiyatrik tedaviler tarih içinde tesadüf eseri keşfedilmiş ve faydalı olmuştur fakat hastalık mekanizmasını aydınlatıcı nitelikte değildir.

Nobel ödüllü bir bilim insanı olan Francis Crick, beyindeki her bir bileşimin manipüle edilmesine ihtiyaç olabileceğini söylemiştir. Ek olarak bu yöntemin, beyindeki sadece bir tür nöronun aktivitesini kısıtlayan özellikte olması gerektiğini ifade etmiştir. Fakat şimdiye kadar üstünde çalışılan hücreler arası elektriksel uyarım, gerçek inaktivasyonu sağlamaz. Bu uyarım belirli bir hücre türüne yönelik değildir. Fakat, farmakolojik ve genetik manipülasyonlar hücreye spesifik olabilir fakat bu durumda da nöronlar arası sinyal alışverişi sırasında bölgesel hassasiyet görülmez.
Tüm bir memeli nöral dokusunda, hem bölgesel hem hücresel hassasiyeti sağlayan bir teknik yoktur. Bu yüzden, yeni bir tür teknolojinin gelişmesi için acil bir ihtiyaç söz konusuydu. Bu çalışmaların sonucunda optogenetik, nöronları daha hızlı bir şekilde kontrol edebilir. Optogenetik araçlar, heterojen bir dokudaki tek bir hücre tipini hedefleyebilir.

Crick, ışığın bir kontrol aracı olarak kullanılabileceğini öne sürmüştür. Çünkü, ışık uyarı şeklinde aktarılabilir. Bu sırada, memeli beyninden değişik bir alanda, mikroorganizmalar üstünde yapılan çalışmaların da bu mevzuyla ilgili olduğu sonradan ortaya çıkmıştır. Bugünden 40 yıl önce biyologlar, mikroorganizmaların görünür ışığa yanıt olarak hücre zarındaki elektrik akımını değiştirebilen proteinler ürettiğini ortaya çıkarmışlardır. Bu proteinler opsin adlı genler tarafından üretilirler. 1971’de Kaliforniya Üniversitesinden Walter Stoeckenius and Dieter Oesterhelt bu proteinlerden birinin (bakteriorodopsin) yeşil ışığın fotonları tarafından aktive olan iyon pompasının tek bir komponenti olarak vazife yaptığı keşfedilmiştir. Hemen sonra aynı aileden, 1977 senesinde halorodopsin ve 2002’de channelrhodopsin proteinleri keşfedilmiştir.

Crick’in ortaya attığı sorunu çözebilmek için, mikrobiyal opsin genlerine dayalı olarak optogenetik yöntemler geliştirilmiştir. Optogenetik, genetiğin ve yaşayan bir dokudaki belirli hücrelerdeki olayları kontrol eden optiğin birleşimidir. Optogenetik sayesinde, hücreye gen aktarılıp, ışığa duyarlı hale getirilmiş hücreler, ışık ile kontrol edilebilir. Burada mühim olan nokta, belirli bir zamanda belirli hücre tiplerinin kontrol edilmesidir. Nöronların fonksiyonunun bu şekilde yakından incelenebilmesi, normal beyin fonksiyonunu ve Parkinson Hastalığı gibi klinik problemleri anlamaya yardım edecektir.

2004 senesinde Stanford Üniversitesi’nden bir ekip, channelrhodopsin-2 genini memeli nöronlarına aktarmıştır. Böylece nöron, fonksiyonunu yerine getirirken, ışığa cevap veren bir hale gelmiştir. Channel rhodopsin, ışığa yanıt olarak nöronu güvenli bir şekilde açabilir ya da kapatabilir.
2008’de Volvox carteri adlı bir alg türündenki channelrdopsin geninin ise sarı ışığa cevap verdiği keşfedilmiştir. Daha önce üstünde çalışılan opsin genlerinin ise mavi ışığa cevap verdiği görülmüştür. Bu durumda VChr1 (sarı ışığa cevap veren gen) ve diğer channel rodopsin genleri kullanılarak, karışık bir hücre popülasyonu eş zamanlı olarak kontrol edilebilir. Böylece sarı ışık verilerek bir tip, mavi ışık verilerek de diğer tür hücreler kontrol edilebilir.

Elektriksel aktiviteler haricinde, biyokimyasal olaylar da optogenetik ile kontrol edilebilir hale geldi. Çok sayıdaki tıbbi ilaç, G-proteini adlı bir hücre zarı proteinini hedef alır. Bu protein hücreler arası kimyasal sinyalleri algıyabilmektedir. 2009 senesinde, bu proteine rodopsininden bir parça ilave edildikten sonra, protein ışığa duyarlı hale getirilmiştir. Bu protein parçalarını kodlayan genler bir virüs vasıtasıyla, laboratuvar sıçanlarının beynine aktarılmıştır. Böylece eletriksel aktivitenin yanısıra biyokimyasal olayların da hücrede kontrolü mümkün hale gelmiştir.

2006 senesinde fiber-optik araçların geliştirilmesiyle, araştırmacılar beynin herhangi bir bölgesine ışık verebilirler. Böylece, optik olarak kontrol edilebilen mikrobiyal opsin geni yoluyla, beyinde sinirsel ağlardaki elektriksel aktiviteler değiştirilebilir ve kontrol edilebilir.

Optogenetiğin Psikiyatrik Hastalıklara ve Diğer Sinirsel Hastalıklara Uygulanışı

Memelilerdeki ilk optogenetik uygulaması, narkolepsi adlı bir uyku bozukluğu ile ilişkili nöron türleri üzerinedir. Bu çalışmanın sonucunda, narkoplepsiye özgü nöronlarda, uyanıklığa geçişi sağlayan özel türde bir elektriksel aktivite bulunmuştur. Ek olarak optogenetik, dopamin üreten nöronların nasıl ödül ve zevk duyguları oluşturduğunu anlamak için de kullanılmıştır. Bu tür çalışmalar, depresyon gibi zevk hissi ile ilişkili bozuklukların tedavisi için bir yöntem geliştirmeyi amaçlar.

Optogenetik yaklaşım, Parkinson hastalığına bakış açımızı da geliştirmiştir. Parkinson hastalığı beyindeki motor kontrol ağındaki bozukluk ile ilişkilidir. 1990’lı senelerden beri bazı Parkinson hastaları, derin beyin uyarımı adlı bir tedavi alırlar. Fakat bu teknik hücreleri seçici bir şekilde hedef almadığı için tam olarak istenen etkiyi yaratamamaktadır. Son zamanlarda optogenetik, Parkinson Hastalığının hayvan modellerinde çalışılmaktadır. Bu sayede hastalıklı bir sinir ağının doğası ve tedavi edici yaklaşımların tesir mekanizması daha iyi anlaşılmıştır.

Şizofreni ve otizm hastalarında anormal aktiviteye sahip olduğu görülen neocortical parvalbumin nöronlarının nasıl uyarıldığı da optogenetik aracılığı ile öğrenildi. Optogenetik yöntemlerin kullanılması sonucunda, neocortical parvalbumin nöronlarının aktivitesinin çevresindeki diğer hücrelerle de ilişkili olduğu keşfedildi.

Körlük tedavisi için de optogenetik yöntem üstünde çalışılmaktadır. Mesela; Retinis pigmentosa adlı gözdeki fotoreseptörlerin yok olmasıyla ortaya çıkan körlük durumunun tedavisi için, ışığa duyarlı opsin geni aktarılması için çalışmalar yapılmaktadır. Bu tedavi yönteminde opsin genini taşıyan hücreler, mavi ışıkla uyarılabilir ve görsel bilgi bu şekilde beyne taşınır. Ek olarak, sağırlık tedavisi için de iç kulaktaki sinirlerin optogenetik yöntemlerle uyarılmasına yönelik çalışmalar mevcuttur.

Optogenetik ümit verici ve oldukça yeni bir alandır. Bu alanda yapılan çalışmalar, beyinde hastalıklara yol açan mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına yol açarak, bilim dünyasını tedaviye daha çok yaklaştırmaktadır. Fakat, yapılan çok sayıda bilimsel çalışmaya rağmen, günümüzde henüz hastalıkların tedavi için kliniklerde uygulamaya konulmamıştır. Buna rağmen, bu yeni çalışma alanının geliştirilmesi ve yöntemlerin optimize edilmesiyle, gelecekte pek çok hastalık için tedavi edici klinik uygulamaların yapılabilmesi mümkün gözükmektedir.

Kaynakça:
1) https://www.scientificamerican.com/article/optogenetics-controlling/
2) http://www.nature.com/news/light-controlled-genes-and-neurons-poised-for-clinical-trials-1.19886
3) https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/50980/title/Optogenetic-Therapies-Move-Closer-to-Clinical-Use/

Gönderiye Yorum Yap