Erişkin bir kurbağanın kesilen bacağı yeniden oluşturuldu!

Xenopus laevis (Afrika pençeli kurbağası) biyolojide laboratuvarda kullanılan model organizmalardandır. Xenopus laevis yumurtaları yaklaşık 1 mm çapındadır ve bu yumurtalar diğer memeli modellerine göre oldukça büyüktür. Bu da mikroenjeksiyon gibi daha kolay yöntemlerle hem yumurtaya hem de embriyoya gen manipülasyonu (gen düzenlemeleri, değişikliği) yapılmasına olanak sağlar. Yumurtanın şeffaf bir kabuğa sahip olması, gelişimsel değişiklikleri doğrudan görüntülemede önemli üstünlükler getirir. Bunların yanı sıra, omuriliğin diğer organizmalara göre daha az kompleks yapıda oluşu ve hızlı gelişimi de önemli bir avantajdır. Ayrıca organizmanın rejenerasyon, yani kendini hücrelerini/organlarını yenileme kapasitesi diğer omurgalı türlerine göre oldukça gelişkindir.

Bu model organizma, özellikle omurilik oluşumu, omurilik hücrelerinin türleşmesi ve farklılaşması, omurilik sinirlerinin akson rehberliklerinin oluşması, kas-sinir bağlantılarının oluşması, plastisite ile omurilik hasarı ve yeniden oluşumu deneylerinde yoğunlukla kullanılır[i]. Bu deneylerle hangi faktörlerin/genlerin gelişimi, rejenerasyonu, sinir ve omurilik yapısının oluşumunu tetiklediği anlaşılmaya çalışılıyor. Tüm bu potansiyeline rağmen, erişkin Xenopus laevis’te rejenerasyon yeteneği gençlere göre oldukça sınırlıdır.

Geçtiğimiz hafta Science Advances dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada, erişkin Xenopus laevis’in kesilen bacağının laboratuvarda giyilebilir bir biyoreaktör düzeneği kullanılarak 18 aylık bir süreçle yeniden oluşturulabildiği duyuruldu[ii]. Tufts Üniversitesi ile Harvard Üniversitesinin ortak çalışmasında, öncelikle erişkin bir kurbağanın arka bacağı ampüte edildi. Sonrasında ise 24 saat için bu bölgeye ipek proteini ve hidrojel içeren ve araştırmacıların Biodome adını verdikleri bir biyoreaktör yerleştirildi. Bu biyoreaktörde ipek proteinlerinin içine pro-rejeneratif özelliği olan beş ilaç yerleştirildi. Bunlar BDNF (Beyinden elde edilen nörotrofik faktör), 1.4-DPCA (1.4-dihidrofenonthrolin-4-bir-3karboksilik asit), RD5 (resolvin D5), GH (büyüme hormonu), ve RA (retinoik asit) idi. 24 saat sonunda Biodome çıkarılarak hayvanlar 18 ay boyunca belirli zaman aralıklarında gözlendi. Bu beş ilaca 24 saatlik bir maruziyet bile hayvanlarda doku büyümesi ve doku desenlerinin, duyusal motor işlevlerin oluşmasını sağladı. İlaca maruz bırakılan hayvanlarda yaraların kapanması daha geç oldu. 18 ay sonunda ise kemik boylarında uzama, yumuşak doku desenlerinin oluşumu ile sinir-kas tamirlerinin yapıldığı gözlendi. Ayrıca yeni nesil dizileme teknikleri kullanılarak yapılan transkriptomik çalışması, bu süreçte (ampütasyon, Biodome, rejenerasyon) rol alan ve değişen sinyal iletim yolaklarını açığa çıkardı.

Dokular histolojik olarak incelendiğinde, yeniden modelleme olduğu, düz kas yapılarına kan damarlarının entegre olduğu, sinir hücrelerinin bu dokularda bulunduğu ve hücre dışı matriks proteinlerinin bu yeniden modellemede görev aldıkları anlaşıldı. Oluşan kemik dokusu orijinal doku ile aynı özellikleri taşıyordu. Yumuşak dokuda ise parmağa benzer uzantılar oluşmuştu. Hayvanlar bu süreç sonunda, yeni oluşan uzuvları “normal” kurbağalarınkine (deney öncesi) benzer şekilde gezinmek için kullanabildiler. En önemlisi ise bu uzuvlarda duyusal motor işlevlerin de ampütasyon öncesi seviyelere geri döndüğünün belirlenmesiydi.

Çalışma, uzuv rejenarasyonu çalışmalarında oldukça önemli bir aşamanın katedildiğini gösteriyor. Kurbağalarda yalnızca beş faktörü içeren bir çözelti ampütasyon bölgesine 24 saat boyunca uygulandığında, 18 aylık bir süreçte arka bacak oluşumu başarılabildi. Bu süreç insanda ve diğer omurgalılarda elbette daha karmaşık. Ancak bu süreçte aktifleşen sinyal iletim yolaklarından öğrendiklerimiz, Biodome’un kullanım potansiyelinin oldukça fazla olduğunu gösteriyor.

[i] Borodinsky L. N. (2017). Xenopus laevis as a Model Organism for the Study of Spinal Cord Formation, Development, Function and Regeneration. Frontiers in neural circuits, 11, 90. https://doi.org/10.3389/fncir.2017.00090

[ii] Nirosha J. Murugan, Hannah J. Vigran, Kelsie A. Miller, Annie Golding, Quang L. Pham, Megan M. Sperry, Cody Rasmussen-Ivey, Anna W. Kane, David L. Kaplan, Michael Levin (2022). Acute multidrug delivery via a wearable bioreactor facilitates long-term limb regeneration and functional recovery in adult Xenopus laevis. Science Advances; 8 (4) DOI: 10.1126/sciadv.abj2164