MIKRO MIKNATISLAR ILE BEYIN HÜCRELERINI UZAKTAN KONTROL ETMEK MÜMKÜN!
Bilim insanları, beyin hücrelerini uzaktan etkinleştirmek için mikroskobik manyetik parçacıkları kullanan yeni bir teknik geliştirdiler.
Bilim insanları, farelerde yapılan araştırmanın sonucunda, keşfin potansiyel olarak nörolojik bozukluklar için yeni bir invaziv olmayan tedaviler sınıfının geliştirilmesi için yeni yollar sunabileceğini söylüyorlar.
Advanced Science dergisinde yayınlanan ve “manyetomekanik stimülasyon” (MMS) adı verilen öncü teknik, astrosit adı verilen dokunmaya duyarlı beyin glial hücrelerinin vücut dışında manyetik bir cihazla uyarılmasını sağlıyor. Mikroskobik manyetik parçacıklar veya mikro mıknatıslar, astrositlere bağlanır ve güçlü bir mıknatıs başın yanına yerleştirildiğinde hücreleri “açabilen” minyatür mekanik anahtarlar olarak kullanılıyorlar.
UCL Kardiyovasküler ve Metabolik Sinirbilim Merkezi’nde çalışan çalışmanın yardımcı yazarı Profesör Alexander Gourine, “Astrositler, beyinde bulunan yıldız şeklindeki hücrelerdir. Beyin kan damarları ve sinir hücreleri arasında stratejik olarak konumlandırılmışlardır. Bu hücreler, nöronlara temel metabolik ve yapısal destek sağlarlar, nöronal devre aktivitesini modüle ederler ve ayrıca potansiyel metabolik yetersizlik koşullarını algılamaya ayarlanmış beyin ortamının çok yönlü araştırmacıları olarak işlev görebilirler. Bir manyetik alan kullanarak beyin astrositlerini kontrol etme yeteneği, araştırmacılara, bu hücrelerin sağlıklıyken ve hastalıktayken işlevlerini incelemek için yeni bir araç sağlıyor. Bu, epilepsi ve felç gibi bazı yaygın nörolojik bozukluklar için yeni ve etkili tedavilerin gelecekte geliştirilmesi için önemli olabilir" dedi.
UCL İleri Biyomedikal Görüntüleme Merkezi’nde çalışan ve araştırmanın kıdemli yazarı olan Profesör Mark
Lythgoe, "Astrositler dokunmaya duyarlı olduğundan onları manyetik parçacıklarla süslemek demek bir mıknatıs kullanarak hücreleri vücudun dışından az da olsa dürtebileceğiniz anlamına gelir ve bu sayede fonksiyonlarını kontrol edebiliriz. Astrositleri uzaktan kontrol etme yeteneği, işlevlerini anlamak için yeni bir yol sağlamaktadır ve beyin bozukluklarını tedavi etme potansiyeline de sahip olabilir" dedi.
UCL'deki bilim insanları MMS'i geliştirirken klinik olarak daha uygun bir beyin hücresi kontrol tekniği oluşturmaya başladılar. Bu, yabancı genlerin tipik olarak bir virüsün yardımıyla beyin hücrelerine yerleştirilmesini gerektiren optogenetik ve kemogenetik gibi mevcut diğer araştırma araçlarıyla çelişir. Bu genetik modifikasyon ihtiyacı, mevcut yöntemlerin klinik çevirisine büyük bir engel olmuştur.
UCL İleri Biyomedikal Görüntüleme Merkezi’nde Baş araştırmacı olan
Dr. Yichao Yu, “Yeni teknolojimiz, beyin hücresi aktivitesini uzaktan ve hassas bir şekilde kontrol etmek için manyetik parçacıklar ve mıknatıslar kullanıyor ve daha da önemlisi, bunu beyne herhangi bir cihaz veya yabancı gen sokmadan yapıyor. Laboratuvara dayalı çalışmada, mikroskobik manyetik parçacıkları, özel olarak astrositlere bağlanmalarını sağlayan bir antikorla kapladık. Parçacıklar daha sonra enjeksiyon yoluyla faredeki hedef beyin bölgesine iletildi. Mikromıknatıs kullanmanın bir başka avantajı da bir MRI taramasında ışıldamalarıdır, böylece konumlarını izleyebilirsiniz ve beyin fonksiyonunun hassas kontrolünü elde etmek için beynin çok belirli kısımlarını hedefleyebilirsiniz" dedi.
"Temel bilimin tıbbın ilerlemesine katkısı" nedeniyle Royal Society of Medicine Ellison–Cliffe Ödülü 2021'i alan Profesör Lythgoe ise çalışma hakkında, "Klinik potansiyeli nedeniyle bu teknoloji hakkında çok heyecanlıyız. Mevcut yöntemlerin aksine MMS, belirli beyin hücrelerinin dokunmaya karşı olağanüstü duyarlılığından yararlanır, bu nedenle ne genetik modifikasyona ne de cihaz implantasyonuna ihtiyaç vardır. Bu, MMS'i elektrotların beyne yerleştirilmesini gerektiren şu anda kullanılan derin beyin stimülasyon tekniklerine kıyasla alternatiftir. Bu da onu daha az invaziv bir tedavi yöntemi olarak umut verici bir aday haline getiriyor” dedi.
Bilim insanları Parkinson hastalığı için bir tedavi bulmaya çalışırken bir araştırma dizisi ile hücrelerin içinde bulunan ve enerji üreten yapılar olan mitokondriye odaklandılar. Bu yapıların sağlığı, birbirine zıt iki süreci dengeleyen bir kalite kontrol sistemi aracılığıyla korunur: Mitokondrinin bölünmesi ve ikisinin bir olması. Bölünmeyle ilgili bir sorun olduğunda, bu sistemin dengesi bozulur. Sonuçlar, Parkinson hastalığı gibi nörodejeneratif hastalıkları ve diğer ciddi durumları içerebilir.
Bilim insanları yıllardır Drp1 adı verilen belirli bir proteinin mitokondriyal fisyonun ana düzenleyicisi olduğunu biliyorlardı, ancak Drp1'in diğer proteinler tarafından nasıl kontrol edildiği hakkında çok az şey biliniyordu. Biyolojideki temel süreçler, bu tür proteinler arasındaki karmaşık biyokimyasal zincir reaksiyonları tarafından yönetilir. Bilim insanları bu zincirleme reaksiyonları “sinyal yolları” olarak adlandırıyorlar.
Şimdiyse UCLA araştırmacıları tarafından yürütülen bir araştırma ile Drp1'i ve mitokondri bölünmesini kontrol eden mekanizmalara yönelik yeni bir yol getirildi. Bulgular, Parkinson ve diğer çeşitli hastalıklara karşı mücadeleyi ilerletebilir.
Nature Communications'da yayınlanan çalışma, insanlarda CLUH adı verilen bir proteinin Drp1'i mitokondriye çekmek ve bölünmeyi tetiklemek için harekete geçtiğini buldu. Ekip, Parkinson hastalığı için bir analogla genetik olarak tasarlanmış meyve sinekleriyle yaptıkları deneylerde, bilim insanlarının CLUH'nin meyve sineği eşdeğeri olan "Clueless" (bilgisiz) dedikleri bir proteinin miktarını artırarak hastalıktan kaynaklanan hasarın tersine çevrilebileceğini gösterdi.
Araştırmanın sorumlu yazarı Profesör Dr. Ming Guo, “Drp1 gibi kritik öneme sahip bir yolak ile Parkinson hastalığına müdahale etmek ve nihayetinde onu kontrol etmek için kullanabileceğimiz birden fazla protein olabilir. Sineklerdeki Clueless’ı değiştirdiğimizde ise Parkinson hastalığına benzeyen belirtiler önemli ölçüde düzeldi” dedi.
Guo'nun araştırması nörodejeneratif koşullara odaklanıyor, ancak mitokondri bölünmesindeki bozulmalar, kanser, diyabet ve kalp hastalığı gibi bir dizi başka rahatsızlığın yanı sıra bebeklerin ölümüne yol açan bazı gelişimsel kusurların arkasında yatıyor.
Profesör Guo, "Bu bulgular, yalnızca biyolojinin temel ilkelerini anlamak için değil, aynı zamanda insan sağlığını iyileştirmek için de bilim camiasına önemli bilgiler sağlamalıdır” dedi.
Araştırmacılar, meyve sineklerinde, insan hücre kültürlerinde ve hücresiz (cell-free) bir ortamda proteinler arasında karmaşık biyokimyasal zincir reaksiyonlarını araştırdılar. Hücresiz ortamlar, bilim adamlarının proteinler arasındaki etkileşimleri basit bir bağlamda gözlemlemelerini sağladı.
Guo ve meslektaşları, clueless (meyve sineklerinde) veya CLUH (insan hücrelerinde) kaybının, şekil itibariyle daha uzun görünen mitokondri ile sonuçlandığını, büyük miktarlarda clueless veya CLUH proteinlerinin ise parçalanmış mitokondri ile sonuçlandığını buldular. Guo, daha uzun mitokondrinin muhtemelen çok az bölünmeden ve parçalanmış olanların ise çok fazla bölünmeden kaynaklandığını söyledi.
Genetiğiyle oynanmış ve her şeyden habersiz olacak şekilde tasarlanmış (ömürlerini önemli ölçüde kısaltan bir manipülasyon) olan meyve sineklerine, araştırmacılar, daha fazla Drp1 proteini verdiklerinde, ömürleri yaklaşık olarak dört kat arttı. Bu çarpıcı iyileşme, clueless'ın mitokondriyal bölünmesini kontrol etme yeteneğinin Drp1 aracılığıyla çalıştığını gösterdi.
Ekip hem sineklerde bulunan Clueless’ın hem de insanlarda bulunan CLUH'nin mitokondri yüzeyindeki reseptörlere bağlanmak için bir hücre içinden serbest yüzen Drp1'i aldığını gösterdi. Ek olarak, araştırmacılar, insan hücrelerindeki CLUH'nin, haberci RNA'da bulunan genetik talimatların, mitokondri yüzeyindeki Drp1 reseptörleri için proteine çevrilmesine yardımcı olduğunu keşfettiler. Daha fazla kullanılabilir Drp1 reseptörü, bölünmenin tetiklenmesi için daha fazla Drp1'in alınabileceği anlamına geliyor.
Guo'nun araştırma grubu, CLUH'nin mitokondriyal bölünmeyi ve bunun hücresel ve organizma sağlığı üzerindeki etkisini nasıl kontrol ettiğini araştırmaya devam ediyor.
“Duymakta zorluk mu çekiyorsunuz? Sadece gömleğinizi açın!” MIT'de bulunan mühendisler ve Rhode Island Tasarım Okulu'ndan bir ekibin elbirliği ile geliştirilen yeni "akustik kumaşın" arkasında yatan fikir buydu. Ekip, tıpkı kulaklarımızın duyma yetisine benzer bir şekilde sesi önce mekanik titreşimlere ardından elektrik sinyallerine dönüştüren ve tıpkı bir mikrofon gibi çalışan bir kumaş tasarladı.
Tüm kumaşlar duyulabilir seslere tepki olarak titriyorlar, ama elbette bu titreşimler nanometre ölçeğindedir. Yani normalde algılanamayacak kadar küçüktür. Bu algılanamayan sinyalleri yakalamak için araştırmacılar, kumaşa dokunulduğunda sanki okyanus yüzeyinde bulunan deniz yosunu gibi kumaşla birlikte bükülen esnek bir fiber yaptılar.
Fiber, büküldüğünde veya mekanik olarak deforme olduğunda bir elektrik sinyali üreten ve kumaşın ses titreşimlerini elektrik sinyallerine dönüştürmesi için bir araç sağlayan bir "piezoelektrik" malzemeden tasarlandı.
Kumaş, sessiz bir kitaplıktan yoğun karayolu trafiğine kadar desibel olarak değişen sesleri yakalayabilir ve alkış gibi ani seslerin kesin yönünü belirleyebilir. Ayrıca bir gömleğin astarına dokunduğundaysa kullanıcının kalp atışının özelliklerini de algılayabilir. Fiber başka bir kumaşın algılayabileceği, konuşulan kelimelerin kaydı gibi ses üretmek için de yapılabilir.
Singapur'da bulunan Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nde Yardımcı Doçent olan Wei Yan, "Akustik bir giysi giyerek telefon görüşmelerini yanıtlamak ve başkalarıyla iletişim kurmak için onunla konuşabilirsiniz. Ayrıca, bu kumaş insan derisiyle algılanamaz bir şekilde etkileşime girebilir ve kullanıcıların kalp ve solunum durumlarını rahat, sürekli, gerçek zamanlı ve uzun süreli bir şekilde izlemelerini sağlar" dedi.
İşitilebilir ses hafif basınç dalgaları olarak havada yayılır. Bu dalgalar, son derece hassas ve karmaşık olan kulağımıza ulaştığında kulak zarı basınç dalgalarını mekanik titreşimlere dönüştürmek için dairesel bir fiber tabakası kullanır. Bu titreşimler, küçük kemiklerden iç kulağa geçer ve burada koklea, dalgaları beyin tarafından algılanan ve işlenen elektrik sinyallerine dönüştürür.
İşitme sistemimizden ilham alan ekip böylelikle yumuşak, dayanıklı, rahat ve sesi algılayabilen bir kumaş "kulak" oluşturmaya çalıştı. Araştırmaları iki önemli keşfe yol açtı: Böyle bir kumaş, ses dalgalarını etkili bir şekilde titreşimlere dönüştürmek için sert veya "yüksek modüllü" lifler içermelidir. İkinci olarak ise ekibin kumaşla birlikte bükülebilecek ve bu süreçte bir elektrik çıktısı üretebilecek bir elyaf tasarlaması gerekecekti.
Ekip, bu yönergeleri göz önünde bulundurarak ses dalgalarına tepki olarak malzemenin titreşimlerini artırmak için bileşenlerin yanı sıra bir piezoelektrik katmandan yapılmış, preform adı verilen katmanlı bir malzeme bloğu geliştirdi. Elde edilen preform, yaklaşık kalın bir işaretleyici boyutunda, ısıtıldı ve 40 metre uzunluğunda ince iplikler şeklinde çekildi.
HAFIF DINLEME
Araştırmacılar, lifin sese duyarlılığını, onu asılı bir mylar tabakasına bağlayarak test ettiler. Yakındaki bir hoparlörden çalınan sese yanıt olarak tabakanın ve dolayısıyla fiberin titreşimini ölçmek için bir lazer kullandılar. Ses, sessiz bir kitaplık ile yoğun karayolu trafiği arasında desibel olarak değişiyordu. Yanıt olarak fiber titreşti ve çalınan sesle orantılı bir elektrik akımı üretti. Daha sonra ekip, dökümlü, makinede yıkanabilir kumaştan paneller üretmek için elyafı geleneksel ipliklerle dokudu. Bir gömleğin arkasına bir panel dikildi ve ekip, gömleğe çeşitli açılarda dururken kolları çırparak kumaşın yönlü sese duyarlılığını test etti.
Kumaşı standart bir dokuma tezgâhı kullanarak dokuyan ortak yazar Elizabeth Meiklejohn, "Neredeyse hafif bir ceket gibi hissettiriyor. Kottan daha hafif, ama bir gömlekten daha ağır" dedi.
Kumaş, sesin açısını 3 metre uzaklıktan 1 dereceye kadar algılayabildi. Araştırmacılar yönlü bir ses algılama dokusunun, işitme kaybı olan kişilerin gürültülü ortamlarda bir hoparlörü ayarlamasına yardımcı olabileceğini düşünüyorlar.
Ekip ayrıca bir gömleğin iç astarına göğüs bölgesinin hemen üzerine tek bir fiber dikti ve sağlıklı bir gönüllünün kalp atışlarını, kalbin S1 ve S2'sindeki veya "lub-dub" özelliklerindeki ince değişikliklerle birlikte doğru bir şekilde tespit ettiğini buldu. Araştırmacılar, kişinin kendi kalp atışlarını izlemenin yanı sıra bir bebeğin cenin kalp atışlarını izlemesine yardımcı olmak için akustik kumaşı hamile kıyafetlerine dahil etme olasılıklarını da düşünmektedirler.
Son olarak, araştırmacılar fiberin işlevini bir ses algılayıcı olarak değil, bir hoparlör olarak hizmet edecek şekilde tersine çevirdiler. Bir dizi konuşulan kelimeyi kaydettiler ve kaydı uygulanan bir voltaj şeklinde fibere işlediler. Fiber, elektrik sinyallerini ikinci bir fiberin algılayabildiği sesli titreşimlere dönüştürdü.
Ekip, giyilebilir işitme cihazlarına, iletişim kuran giysilere ve yaşamsal belirtileri izleyen giysilere ek olarak, giysilerin ötesinde uygulamaları da öngörüyor.
Yazarlar, Uzay tozunu dinlemek için uzay aracı kaplamasıyla entegre edilebilir veya çatlakları ya da gerilmeleri tespit etmek için binalara işlenebilir. Okyanustaki balıkları izlemek için akıllı bir ağa bile dokunabilir. Fiber, çok geniş fırsatlar sunuyor” dediler.