Organoidlerin Bulaşıcı Hastalıklar ve Kişiselleştirilmiş Tıptaki Rolü

Biyolojinin çeşitli alt dallarında karşımıza şu soru sıklıkla çıkar: “Hücre farklılaşmasının oluşumunu ve devamlılığını sağlayan faktörler nelerdir ve kültürde morfogenez tekrarlanabilir mi?”¹. Bu soru, ilaç keşfi sürecinde araştırmacıların in vivo olarak gözlemleyemedikleri durumları açıklığa kavuşturabilmeleri nedeniyle önemlidir. Zira yanıtlandıkça, dokuların fonksiyonunun kazanılmasıyla beraber hastalığın seyrini in vitro inceleme olanağı sağlar².

Doku fonksiyonunun kazanılmasının yanı sıra üç boyutlu mimari de fonksiyonel farklılaşmada önemlidir¹. İki boyutlu hücre kültürleri birçok yönden faydalıdır ancak in vivo koşulların farklı oluşu nedeniyle bulguların kliniğe aktarılması kolay olmayabilir. Benzer şekilde hayvan çalışmaları sağlık sektöründe kritik öneme sahiptir. Yine de türlerin farklı oluşu emilim, dağılım, metabolizma, dağılım (ADME) ve toksisite hakkında tahmin gücünü sınırlar. Söz konusu kısıtlamalar, ilaç sektörünün önemli parçaları olan bu yöntemlerin alternatifi olup olmadığı konusunda akıllarda soru işareti oluşturuyor².

Bu yazıda, organoidler kişiselleştirilmiş tıp ve bulaşıcı hastalıklar bağlamında tartışılarak hastalıklar hakkında ne tür bakış açıları oluşturdukları araştırılmıştır.

Organoid nedir?

Organoidler, bir organın veya dokunun taklit edilmesi için organize edilmiş, birden fazla hücre tipini içeren, üç boyutlu in vitro hücre kültürlerini ifade eder³. Organoidler çeşitli hücre tiplerinden üretilebilir: kötü huylu tümörler, kök hücreler, normal doku hücreleri gibi^1,4. Dokunun kendi organizasyonunu sağlaması için büyüme faktörleri, besinler ve hücre dışı matris jelleriyle oluşturulan dış ortamlar kullanılır².

Organoidler tedavide daha kişiselleştirilmiş bir yaklaşım için kullanılır

Bir hastada iyi sonuçlar verdiği bilinen bir tedavi farklı bir hastada aynı sonucu vermeyebilir. Bu durum, başta kanser olmak üzere tıbbi araştırmalarda kişiselleştirilmiş bir yaklaşımın oluşumuna sebebiyet vermiştir^5,6. Ne yazık ki, tümör yanıtları halen net anlaşılmadığı için, hedefe yönelik ilaçlar belirli mutasyonla tümörü tedavi etmede her zaman etkili değildir⁷.

Hastadan üretilen organoidler (PDO’lar), kişiselleştirilmiş tedavi yöntemi olarak tümör yanıtlarını öngörebilmesiyle başarı potansiyeline sahiptir⁸. Örneğin yumurta kanseri PDO’ları, bir dizi kemoterapötiklere verdiği tepkiler itibariyle hastalarla karşılaştırılmış ve umut vaat etmiştir⁹. PDO alt tipleri genetik olarak yönlendirilebilir olduğu için gen setlerinin ifade biçimleri ve etkileşimleri, çeşitli hastalık ve genetik ortamlarda ilaçların nasıl etki ettiği yönünden incelenebilmektedir^10,11.

Tümör heterojenliği, kanser tedavisinin önündeki en zorlayıcı engellerden biridir. Bu nedenle aynı tümörün farklı bölgelerinden üretilen PDO’lar farklı tepkiler verir⁹. Hubrecht Enstitüsü’ndeki Clevers grubunda araştırmacı ve Utrecht Üniversitesi Tıp Merkezi’nde patoloji eğitiminde klinik moleküler biyolog olan Else Driehuis, yöntemi iyi performans gösteren ancak maliyeti ve tedavi gecikmeleri gibi dezavantajları yönünden değerlendirilmesi gereken bir durumda görüyor^12-15.

Viral mekanizmalar ve organoidler

Avusturya Bilimler Akademisi Moleküler Biyoteknoloji Enstitüsü’nün bilimsel direktörü Jürgen Knoblich, bu alanın bulaşıcı hastalıklar için çok daha dar olduğunu düşünüyor. “Çoğu halen araştırma aşamasında. Ancak organoidler SARS-CoV-2 salgınında önemli bir rol oynuyor.”¹⁶. İnsan pluripotent kök hücrelerinden türetilen akciğer organoid modelleri, ilaç keşfinde elverişlidir¹⁷. Organoidler farklı türlerin aynı virüse nasıl tepki verdiğini karşılaştırmak için de kullanılabilir¹⁸. Konağa özgü olan patojenler için hayvan modellerle çalışmanın organoidler kadar verimli olmadığının düşünen Knoblich, mikrosefali üzerine çalışmak için beyin organoidleri geliştirmektedir. Organoidler, Zika virüsünün mikrosefaliye neden olduğunu göstererek Dünya Sağlık Örgütü’nün durumu küresel bir salgın olarak sınıflandırmasına neden oldu¹⁹.

Organoidlerin sağlık hizmetlerinde kullanılması

Organoidler kişiselleştirilmiş tıbbı geliştirme potansiyeli, bulaşıcı hastalıklar ve diğer konularda çalışma platformu sunmasından dolayı sağlık hizmetlerinin bir parçası olacağı düşünülmektedir. Driehuis, organoidlerin potansiyellerini yerine getirebilmeleri için daha fazla standardizasyona ihtiyaç olduğunu söylüyor: “Taramayı hızlı, tekrarlanabilir ve kolay uygulanabilir hale getirmemiz gerekiyor.”. Knoblich ise organoid kullanımının tüm bulaşıcı hastalıklar için uygun olmadığını söylüyor. Gelecekte genetik mühendisliğinin bu konuda faydaları görüleceği düşünülüyor, kanserde belirli sinyal yolaklarının yönlendirilmesi veya genlerin floresan belirteçlerinin kullanımıyla enfekte hücrelerin tanımlanması gibi^20,21.

PDO’ların da kendince zorlukları vardır diyor Driehuis: “Bir tümör parçası ele alındığında bağışıklık hücreleri, bağ dokusu ve belki sağlıklı komşu hücreler de dahil olur. Sadece tümör hücreleri üzerinde çalışabilmek için görüntüleme ve yapay zeka uyumlu algoritmaların bize yardım edebileceğine inanıyorum.”².

Kaynak

1. Simian M, Bissell MJ. Organoids: A historical perspective of thinking in three dimensions. J Cell Biol. 2016;216(1):31-40. doi: 10.1083/jcb.201610056
2. How Organoids Are Fueling Infectious Disease Research and Personalized Medicine _ Technology Networks, n.d. https://www.technologynetworks.com/tn/articles/how-organoids-are-fueling-infectious-disease-research-and-personalized-medicine-353500
3. Lancaster MA, Knoblich JA. Organogenesis in a dish: Modeling development and disease using organoid technologies. Science. 2014;345(6194):1247125-1247125. doi: 10.1126/science.1247125
4. Shamir ER, Ewald AJ. Three-dimensional organotypic culture: experimental models of mammalian biology and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014;15(10):647-664. doi: 10.1038/nrm3873
5. Sukrithan V, Deng L, Barbaro A, Cheng H. Emerging drugs for EGFR-mutated non-small cell lung cancer. Expert Opin Emerg Dr. 2018;24(1):5-16. doi: 10.1080/14728214.2018.1558203
6. DiGrande S. FDA Approves first breast cancer drug to target PIK3CA mutation plus companion diagnostic test. AJMC. https://www.ajmc.com/view/fda-approves-first-breast-cancer-drug-to-target-pik3ca-mutation-plus-companion-diagnostic-test. Published May 29, 2019. Accessed August 26, 2021.
7. Aboulkheyr Es H, Montazeri L, Aref AR, Vosough M, Baharvand H. Personalized cancer medicine: an organoid approach. Trends Biotechnol. 2018;36(4):358-371. doi: 10.1016/j.tibtech.2017.12.005
8. Clevers H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 2016;165(7):1586-1597. doi: 10.1016/j.cell.2016.05.082
9. Witte CJ de, Valle-Inclan JE, Hami N, et al. Patient-derived ovarian cancer organoids mimic clinical response and exhibit heterogeneous inter- and intrapatient drug responses. Cell Rep. 2020;31(11). doi: 10.1016/j.celrep.2020.107762
10. Monteil V, Kwon H, Prado P, et al. Inhibition of SARS-CoV-2 infections in engineered human tissues using clinical-grade soluble human ACE2. Cell. 2020;141(4). doi: 10.1016/j.cell.2020.04.004
11. Driehuis E, Clevers H. CRISPR/Cas 9 genome editing and its applications in organoids. Am J Physiol-Gastrointest  Liver Physiol. 2017;312(3):G257-G265. doi: 10.1152/ajpgi.00410.2016
12. Driehuis E, van Hoeck A, Moore K, et al. Pancreatic cancer organoids recapitulate disease and allow personalized drug screening. PNAS. 2019;116(52):26580-26590. doi: 10.1073/pnas.1911273116
13. Driehuis E, Kretzschmar K, Clevers H. Establishment of patient-derived cancer organoids for drug-screening applications. Nat Protoc. 2020;15(10):3380-3409. doi: 10.1038/s41596-020-0379-4
14. Tiriac H, Belleau P, Engle DD, et al. Organoid profiling identifies common responders to chemotherapy in pancreatic cancer. Cancer Discov. 2018;8(9):1112-1129. doi: 10.1158/2159-8290.CD-18-0349
15. Driehuis E, Kolders S, Spelier S, et al. Oral mucosal organoids as a potential platform for personalized cancer therapy. Cancer Discov. 2019;9(7):852-871. doi: 10.1158/2159-8290.CD-18-1522
16. Han Y, Duan X, Yang L, et al. Identification of SARS-CoV-2 inhibitors using lung and colonic organoids. Nature. 2021;589(7841):270-275. doi: 10.1038/s41586-020-2901-9
17. Clevers H. COVID-19: Organoids go viral. Nat Rev Mol Cell Biol. 2020;21(7):355-356. doi: 10.1038/s41580-020-0258-4
18. Lancaster MA, Renner M, Martin C-A, et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013;501(7467):373-379. doi: 10.1038/nature12517
19. Krenn V, Bosone C, Burkard TR, et al. Organoid modeling of Zika and herpes simplex virus 1 infections reveals virus-specific responses leading to microcephaly. Cell Stem Cell. 2021;28(8):1362-1379.e7. doi: 10.1016/j.stem.2021.03.004
20. Geurts MH, van der Vaart J, Beumer J, Clevers H. The organoid platform: promises and challenges as tools in the fight against COVID-19. Stem Cell Rep. 2021;16(3):412-418. doi: 10.1016/j.stemcr.2020.11.009
21. Hofer M, Lutolf MP. Engineering organoids. Nat Rev Mater. 2021;6. doi: 10.1038/s41578-021-00279-y