Çip üzerinde kas sistemleri (Muscle-on-chip systems), kolajen iskeleler üzerinde kültürlenen üç boyutlu insan kas hücresi demetleridir. Stanford Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, astronotlarda yaygın olarak görülen kas atrofisini incelemek üzere bu sistemlerden bazılarını Uluslararası Uzay İstasyonu'na gönderdi.
Uzayın, insan kaslarında çok iyi bildiğimiz bir şeye ürkütücü bir şekilde benzeyen süreçleri tetiklediği ortaya çıktı: Yaşlanmak. Çalışmayı yöneten Stanford'da doçent olan Ngan F. Huang, "Mikro yerçekiminin hızlandırılmış yaşlanmanın bazı niteliklerini taklit ettiğini öğrendik" dedi.
Uzay Kaynaklı Biyoyapılar
"Bu çalışma laboratuvarımızın rejeneratif tıp ve doku mühendisliği alanındaki uzmanlığından kaynaklanıyor. UUİ'de bir doku mühendisliği deneyi yapmak için fon aldık, bu da bu yolculuğa çıkmamıza gerçekten yardımcı oldu ve mikro yerçekiminin insan sağlığını nasıl etkilediğini merak etmeye başladık" diyor Huang. Böylece ekibi uzay istasyonunda çalışmak için gereken araştırma ekipmanını tasarlamakla meşgul oldu. İlk adım, çip üzerinde kas sistemlerini inşa etmekti.
Huang, "Uzayın kasları nasıl etkilediğine dair bilinenlerin çoğu, astronotların incelenmesi veya araştırma amacıyla mikro yerçekimine maruz bırakılan fare gibi hayvanların incelenmesi yoluyla elde edildi" dedi. "Bazı durumlarda, bir Petri kabı üzerinde in vitro kültürlenmiş hücreler de vardı — çok basit bir şey. Biz yapısal olarak daha karmaşık bir şey olsun istedik." Ekibi, sonunda canlı bir organizmada kas lifleri haline gelen uzun paralel demetler halinde organize olan hücreler olan insan miyotüplerinin kolajen iskeleler üzerinde yetiştirildiği bir çip üzerinde kas platformu geliştirdi. Amaç, örneklerin gerçek kasları daha iyi taklit etmesini sağlamaktı. Ancak bunun bir zorluğu vardı: onları UUİ'de canlı tutmak.
Huang, "Dünya'da hücre yetiştirdiğimizde, besiyerini (temelde hücrelerin büyümesini sağlayan besin maddelerini içeren bir sıvı) hücrelerin üzerine döküyoruz ve her şey yolunda gidiyor" dedi. "Ancak uzayda, yerçekimi olmadığında, kapalı, sızdırmaz, sıkıca kapatılmış bir odaya ihtiyacımız vardı. Besiyeri orada etrafa saçılıyordu."
Oksijen ve karbondioksit seviyeleri geçirgen membranlarla korunuyordu. Ortamın değiştirilmesi, şırıngalar ve özel olarak tasarlanmış küçük portlar içeren karmaşık bir prosedürdü. Ancak tüm bu aygıtları çalışır hale getirmek sonunda buna değdi.
Atrofi Genleri
Huang'ın ekibinde biri yerde diğeri UUİ'de olmak üzere iki set çip üzerinde kas sistemi vardı. Çalışmanın amacı, her bir örnek setinde yukarı veya aşağı regüle edilen genleri karşılaştırmaktı. Yaşlanma ile ilişkili birçok genin mikro yerçekimi koşullarında aktivitelerinin arttığı ortaya çıktı.
Ekip, hücreler içinde büyüdükten sonra çıkarılan ortamı analiz ettiğinde bu sonuç doğrulandı. "Amaç, hücreler tarafından salınan ve mikro yerçekimiyle ilişkili olan proteinleri tanımlamaktı. Bunlar arasında en dikkat çekici olanı, özellikle mitokondriyal işlev bozukluğu veya yaşlanma gibi farklı hastalıklarla ilgili olan GDF15 idi" diyor Huang.
Genel olarak, UUİ'deki hücrelerin durumu, yaşa bağlı bir kas kaybı hastalığı olan sarkopeniye biraz benziyordu. "Bazı benzerlikler vardı ama aynı zamanda pek çok farklılık da vardı. Sarkopeniyi bu çalışmanın ana odağı yapmamamızın nedeni, çip üzerindeki kas sistemimizin bir model olduğunu bilmemizdir. Çoğunlukla bir iskele üzerindeki kas hücrelerinden oluşuyor. Kan damarları ya da sinirleri yok. Bunu klinik, gerçek kas örnekleriyle karşılaştırmak biraz zor, çünkü elmalarla elmaları karşılaştırmak mümkün değil," diyor Huang.
Bununla birlikte, ekibi Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki çip üzerinde kas örneklerini kavram kanıtı ilaç tarama testleri yapmak için kullanmaya devam etti. Test ettikleri ilaçlar arasında diğer durumların yanı sıra sarkopeni tedavisinde kullanılanlar da vardı.
Uzay İlaçları
"Test ettiğimiz ilaçlardan biri, vücutta farklı dokularda, özellikle de kaslarda doğal olarak bulunan bir büyüme faktörü olan [protein] IGF 1 idi. Bir yaralanma olduğunda, IGF 1 kas rejenerasyonunu başlatmak için vücut içinde aktive olur. Ayrıca, IGF 1 yaşlanan kaslarda azalma eğilimindedir," dedi Huang. Test edilen ikinci ilaç, kas rejenerasyonu sürecini engelleyen enzimlerin nispeten yeni bir inhibitörü olan 15-PGDH-i idi. UUİ'deki çip üzerindeki kaslarda kullanılan ilaçlar, mikro yerçekimiyle ilgili bazı etkileri kısmen azalttı.
Huang, "Bu çalışmanın sınırlamalarından biri, ISS'de mikro yerçekimine iyonlaştırıcı radyasyon gibi başka faktörlerin de eşlik etmesi ve birini diğerinden ayırmanın zor olmasıydı" dedi. UUİ örneklerinde gözlemlenen etkilerin radyasyondan mı, yerçekimi eksikliğinden mi, her ikisinden mi yoksa başka bir faktörden mi kaynaklandığı hala belirsiz. Huang'ın ekibi benzer deneyleri Dünya'da simüle edilmiş mikro yerçekimi koşullarında yapmayı planlıyor. Huang, "Yakın zamanda edindiğimiz bazı özel ekipmanlarla, sadece mikro yerçekiminin etkilerine bakmak mümkün" dedi. Bu deneyler daha geniş bir ilaç yelpazesini test etmeyi amaçlıyor.
"Bu ilaç taramasını yapmamızın nedeni, kas atrofisine karşı koymak için ya önceden ya da uçuş sırasında alınabilecek ilaçlar geliştirmek. Bu muhtemelen daha uygulanabilir, daha hafif