2.10: Organogeneze Giriş

Organogenez alanındaki bilim adamları, son derece uzmanlaşmış form ve işlevlere sahip organların gelişimini araştırırlar.

Organlar, embriyonik hücreler kendilerini germ katmanları olarak bilinen üç ayrı hücre katmanına yerleştirdikten sonra, gelişim sırasında nispeten geç ortaya çıkar. Araştırmacılar, organların nasıl oluştuğunu göz önünde bulundurarak, bireysel organların nasıl çalıştığını daha iyi anlayabilir ve organ yetmezliği ile ilgili insan hastalıklarını düzeltecek tedaviler oluşturabilirler.

Bu video, organogenez araştırmalarının kısa bir tarihçesini sunmakta, organ oluşumunu inceleyen embriyologlar tarafından sorulan temel soruları tanıtmakta, bu soruları cevaplamak için mevcut bazı araçları açıklamakta ve son olarak bu alanda yürütülen mevcut deneyleri tartışmaktadır.

Organogenez araştırmaları tarihindeki bazı dönüm noktası çalışmalarını gözden geçirerek başlayalım.

1820'lerde Karl von Baer ve Christian Heinrich Pander, germ tabakası gelişim teorisini tanımladılar. Civciv modeline dayanarak, von Baer ve Pander, tüm omurgalı embriyolarının, birlikte tüm yetişkin organlarına yol açan üç farklı birincil hücre katmanından oluştuğunu öne sürdüler. Endoderm, bağırsağın astarı ve solunum yolu gibi derin dokulara yol açar, mezoderm, kas ve kan dahil olmak üzere orta dokuları oluşturur ve ektoderm, cilt ve sinirler gibi daha yüzeysel dokular oluşturur.

Altmış yıl sonra 1885'te Wilhelm His, mikroskobik kesitlerden yeniden yapılandırılan ilk insan embriyoları atlasını yayınladı. Bu koleksiyon, organogenezin ilk ayrıntılı tanımlarından birini sağladı ve çeşitli hücre gruplarının kalp, gözler ve beyin gibi organları oluşturmak için kendilerini nasıl düzenledikleri hakkında hipotez kurdu.

1924'te embriyologlar Hans Spemann ve Hilde Mangold, organogenezi incelemek için daha deneysel bir yaklaşım benimsediler: şimdi Spemann organizatörü olarak bilinen gelişmekte olan embriyonun bir bölgesini incelemek için amfibilerde doku nakli yaptılar. Organizatörün bir embriyodan diğerine nakledilmesi, ikincil nöral dokuların oluşumunu indükledi. Hücresel etkileşimlere bağlı olarak gelişimsel modeldeki bu değişiklik "indüksiyon" olarak bilinir hale geldi ve birçok organın oluşumunda kritik bir ilk adımdır.

Bu büyük keşfi takip eden on yıllarda, mikroskopi ve moleküler biyolojideki ilerlemeler, embriyoların artık hücresel ve moleküler seviyelerde incelenebileceği anlamına geliyordu. 1940'larda Salome Gluecksohn-Waelsch, belirli genlerin organ gelişimini düzenleyebileceğini anlamak için fareyi bir model olarak kullandı. T-lokus geninde mutasyonlara sahip farelerin, gelişmekte olan sinir sisteminde notokord gibi önemli yapılardan yoksun olduğunu gösterdi.

Bu çalışma, W. T. Green'in 1970'lerde laboratuvarda kültürlenen sağlıklı kıkırdak hücrelerini çıplak farelere implante ederek in vitro doku oluşumunu araştırmasının yolunu açtı. Başarısız olmasına rağmen, 1981'de Green'in bulguları, Ioannis Yannas ve Eugene Bell gibi araştırmacıların, in vitro olarak yetiştirilen dokuları canlı hayvanlara geri vermelerine yardımcı oldu.

Şimdi bazı tarihsel olayları gözden geçirdiğimize göre, bugün organogenez alanının karşı karşıya olduğu birkaç temel soruyu inceleyelim.

Embriyologlar tarafından sorulan belki de en geniş soruyla başlayacağız: hücre grupları nasıl yüksek düzeyde yapılandırılmış organlara dönüşür? Cevaplar için, araştırmacılar genellikle basit tüplerin karmaşık boru şeklindeki ağlara dallanması gibi tanımlanmış morfolojik olaylara odaklanırlar. Bir dokudaki bu süreçleri kontrol eden mekanizmalar, benzer yapılara sahip diğer dokularda kullanılanlara benzer olabilir, bu da araştırmacılara deneylerini nasıl tasarlayacakları konusunda ipuçları verir.

Embriyologlar ayrıca spesifik genlerin organogenezi nasıl yönlendirdiğiyle de ilgilenirler. Bazıları, bireysel genlere ve ürünlerinin hücrelerin boyutunu ve şeklini kontrol etmek için nasıl işlev gördüğüne ve ayrıca hücrelerin işleyen bir organ oluşturmak için sinyalleri nasıl ürettiğine ve bunlara nasıl yanıt verdiğine odaklanır.

Diğerleri, genlerin ne zaman ve nerede ifade edildiğini belirleyen mekanizmaları araştırır. Örneğin transkripsiyon faktörleri, yakındaki genlerin ekspresyonunu kontrol etmek için spesifik DNA dizilerine bağlanan proteinlerdir. Her bir hücre kimliğini tanımlayan tüm gen kümelerini aynı anda düzenleyerek, nispeten az sayıda transkripsiyon faktörü tüm organların oluşumunu yönlendirebilir.

Hücreler mekanik ipuçlarına da duyarlı olduğundan, birçok bilim adamı fiziksel kuvvetlerin organogenezi nasıl yönlendirdiğini araştırıyor. Bazıları, kesme gerilimi olarak bilinen hücre yüzeyleri üzerinden akan sıvılar tarafından üretilen kuvvetin hücre farklılaşmasını nasıl etkilediğine bakar. Diğerleri, doku gerginliğinin, kaslar ve kemikler gibi dokuların bütünlüğü için önemli olan hücreler arasındaki bağlantıları nasıl desteklediğini düşünür.

Son olarak, nakil ihtiyacını karşılamak için yeterli sayıda sağlıklı insan organı bulunmadığından, bilim adamları laboratuvarda organ mühendisliği yapmak için yeni yollar geliştiriyorlar. Birincil hedefleri, üç boyutlu dokuları destekleyebilen iskeleler veya yapay yapılar oluşturmak ve organ büyümesi için koşulları optimize etmektir. Örneğin, bir organı inşa etmek için kullanılan hücreler, genetik olarak stabil kalırken popülasyonlarını hızlı bir şekilde genişletebilmelidir. Hücreler dokulara başarılı bir şekilde monte edildiğinde, organın işlevsel bir kan akışı geliştirmesini sağlamak ek bir zorluktur.

Artık embriyologlar tarafından ortaya atılan bazı önemli sorular hakkında bir fikriniz olduğuna göre, cevapları bulmak için kullandıkları birkaç araştırma aracına bakalım.

Daha karmaşık organlara bir araya gelen hücrelere bakmak için çeşitli görüntüleme teknikleri kullanılır. Kader haritalaması, gelişim boyunca tek hücrelerin ve soylarının izlenmesini içerdiğinden, büyük ölçüde görüntülemeye dayanan bir yaklaşımdır. Kader haritaları oluşturmak için bilim adamları, ilgilenilen hücreleri floresan peptitlerle etiketleyerek izleyebilirler.

Hücre greftleme ve transplantasyon deneylerinde görüntüleme de gereklidir. Burada hücreler, bir donör ve bir konakçı olmak üzere iki organizma arasına nakledilir ve daha sonra nakledilen hücrelerin kimliğinin ve yerleşiminin gelişmekte olan organlara katkılarını nasıl belirlediğini belirlemek için organizmaya özgü belirteçler kullanılır.

Organ gelişiminin genetik kontrolünü incelemek için, bilim adamlarının gelişmekte olan dokularda gen ekspresyonunu manipüle etmek için bir dizi stratejisi vardır. Örneğin, transgenik teknoloji kullanılarak, hayvan genomları, tüm hayvanda veya seçilmiş dokularda spesifik genlerin ekspresyonunu artırmak veya azaltmak için değiştirilebilir. Genetik manipülasyona daha basit bir yaklaşım için, viral transdüksiyon gibi teknikler, gen ekspresyonu veya susturma yapılarını daha küçük hücre popülasyonlarına hızlı bir şekilde iletmek için sıklıkla kullanılır.

Gelişim sırasında mekanik kuvvetlerin rolünü incelemek için, bilim adamları genellikle in vivo fizyolojiyi taklit eden in vitro kültür sistemlerine başvururlar. Örneğin, esnek substratlar üzerinde büyütülen hücreler büyüdükçe gerilebilir. Hücreler ayrıca kesme stresini taklit etmek için sıklıkla özel mikroakışkan odalarda büyütülür. İmmünofloresan ve diğer mikroskopi yöntemleri daha sonra doku gelişiminin ve hücresel temasların nasıl etkilendiğine bakmak için kullanılır.

Doku mühendisliği, organ oluşumu bilgisini klinik tedavilere dönüştürmeye odaklanan bir tekniktir ve sağlıklı hücrelerin biyolojik iskeleler üzerinde kültürlenmesini içerir. İskeleler, deterjanlar, tuzlar ve enzimler kullanılarak hücresel materyallerin dokulardan çıkarılması ve daha sonra ilgilenilen dokunun kök hücrelerle yeniden doldurulmasıyla inşa edilebilir. Alternatif olarak, elektrik yükü kullanılarak biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerden iskeleler oluşturulabilir. Nasıl yapıldıklarına bakılmaksızın, iskeleler hücrelerle tohumlanır ve biyoreaktörler olarak bilinen özel kurulumlarda kontrollü koşullar altında kültürlenir.

Artık organogenezi incelemek için bazı yaygın yaklaşımlara aşina olduğunuza göre, bu yöntemlerin nasıl uygulandığına bakalım.

Embriyonik kimeralar olarak bilinen birden fazla genomdan hücreler içeren organizmalar, hücre hareketlerini izlemek için yararlı araçlardır. Bu deneyde, zebra balığı kimeraları, floresan etiketli donör hücrelerin etiketlenmemiş konakçı embriyolara nakledilmesiyle yapıldı. Bu nakiller, kas ve beyin gibi embriyonik yapıların gelişiminde göçün ve hücre kaderinin belirlenmesinin rolünü incelemek için kullanıldı.

Belirli genlerin organ gelişiminde oynadığı rolleri anlamak için, bilim adamları gen ifadesini değiştirirler. Bu deneyde, morfolinos olarak bilinen gene özgü antisens oligonükleotidler ilk olarak döllenmiş zebra balığı yumurtalarına enjekte edildi. Daha sonra, gelişmekte olan kalpler, kalp kasında seçici olarak ifade edilen bir floresan işaretleyici kullanılarak analiz edildi. Burada, iki genin birlikte yıkılması, kalp gelişimini tamamen engelledi.

Doku mühendisliği, bilim adamlarının farklı hücre tipleri arasındaki etkileşimleri araştırmasına ve in vitro ve in vivo çalışmalar arasındaki boşluğu doldurmasına olanak tanır. Bu deneyde, laboratuvarda insan derisinin rekonstrüksiyonları üretildi. Cilt gelişimine ve kanserin ilerlemesine bakmak için, floresan etiketli proteinler kullanılarak cilt kök hücre göçü izlendi. Deri rekonstrüksiyonları daha sonra canlı bir sistemde deri hücresi kaderini ve fizyolojisini incelemek için farelere aşılandı.

Az önce JoVE'nin organogeneze girişini izlediniz. Bu videoda, organogenez araştırmalarının tarihçesini gözden geçirdik ve embriyologlar tarafından sorulan temel soruları tanıttık. Ayrıca bu alanda öne çıkan araştırma stratejilerini araştırdık ve mevcut uygulamalarından bazılarını tartıştık. İzlediğiniz için teşekkürler!