Vücudumuzda meydana gelen biyolojik süreçler birçok parametrenin etkisi altında gerçekleşiyor. Bu etkenleri çoğunlukla kimyasal ve biyolojik olarak değerlendirebiliriz. Geçtiğimiz 20-30 sene içerisinde olan gelişmeleri göz önüne alırsak, bu etkenlere bir yenisi eklendi diyebiliriz; mekanik. Mekanikten kastımız, biyolojik süreçlerin (mesela hücrelerin bölünmesi ve yayılması gibi) gerçekleştiği dokularda değisen ekanik özellikler (daha sert veya yumuşak olmaları gibi) veya hücrelerin, bölünerek dokuları oluştururken, birbirlerine uyguladıkları kuvvetlerin gerçekleşmekte olan sürecin gidişatını değiştirmesi gibi.

Mekanik faktörler hem iyi hem de kötü anlamda karşımıza çıkıyor, ve çok hayati süreçlerde başrolü paylaşıyorlar. Örneklerden bahsetmeden önce hücrelerin yaşadığı ortamdan yani dokularımızın önemli yapı taşlarından bahsetmemizde yarar var. Hücrelerin içerisinde yaşadığı ortamı içinden çok fazla miktarda iplik (hücreler tarafından üretilen) geçen jelibon bir küpe benzetebiliriz. Bu jelibon küp aynı zamanda birçok biyolojik molekülleri de içerisinde barındırıyor. Hücreler kimyasal ve biyolojik sinyallerin yanında bu iplikler aracılığıyla da birbirleriyle iletişim kuruyorlar. Hücrelerle bu ortam arasında bir geri bildirim mekanizması da mevcut. Örneğin, ortamın mekanik özelliklerinin değişmesi, mesela ipliklerin bir etkenden dolayı sertleşmesi, hücrelerin tepkisini de değiştiriyor. Bir diğer örnek ise eğer hücreler kuvvet uygulayarak iplikleri çekiştirirken başka bir hücre tarafından uygulanan bir kuvvetle karşılaşmazsa, yani karşılık bulmazsa ölebilirler. Bu ortamı ve hücreleri gözümüzde daha rahat canlandırmak için Eindhoven Teknik Üniversitesi tarafından yayınlanmış ve dokuya uygulanan farklı kuvvetlerin hücrelere etkisini anlatan aşağıdaki animasyonu izlemenizi tavsiye ederim. Hücreler arası ortamın önemli yapı taşı olan ve kuvvetlerin hücrelere hızlı bir şekilde iletiminde önemli role sahip iplikleri yeşil renkte göreceksiniz.

Daha önce mekanik faktörlerin hem iyi ve hem de kötü anlamda karşımıza çıkacağından bahsetmiştik. “İyi anlam”dan başlayacak olursak eğer, canlıların embriyo gelişimi sırasındaki organ oluşumunda önemli bir role sahip mekanik kuvvetlerden yani sinyallerden bahsedebiliriz. Kök hücreler organları oluştururken farklı fonksiyonlara sahip hücrelere dönüşür. Bu dönüşüm ise kimyasal ve biyolojik sinyallerin yanında yine embriyonun içerisindeki mekanik şartlar tarafından kontrol edilir [Vining & Mooney, 2017]. “Kötü anlam” ile devam edersek de, kanser hücrelerinin normalden çok daha fazla bölünmesi hakkında konusabiliriz. Kanser hucreleri normalden fazla bölunerek bulundukları bölgedeki hücre sayisinda aşiri bir artişa sebep olurlar. Bu durum ortamin sertleşmesine sebep olur. Sertleşen bölgenin, yani tümörün, içindeki hücre sayısının artması, o bölgedeki basıncın artmasına da sebep olur. Artan basınç ise tümör bölgesindeki kan dolaşımını negatif anlamda etkiler. Tümör bölgesine ilaç iletiminin verimliliğini azaltan önemli etkenlerden birisi mekanik özelliklerdeki bu değişiklik! Yani, sağlıklı olduğu duruma oranla sertleşen doku, ilaç iletiminde sorunlara sebep olur. Tümörün dağilmasında yani metastaz olmasında da mekanik faktörlerin etkisi olduğu arastırmalarda ortaya konuluyor [Mohammadi & Sahai, 2018].

Hücreler gibi karmaşık yapıları anlamaya çalışmak, onun da ötesinde organların oluşumu, kanser gibi hastalıkların ortaya çıkması ve ilerlemesinde mekanik kuvvetlerin etkisini araştırmak, özenle hazırlanmış, disiplinler arası tecrübelerin birleştirildiği teknolojilerin gerekliliğini doğurdu. Bu yüzden, genellikle mühendislik ve fizik alanlarından gelen araştırmacılar da bu konu üzerinde çalışmaya başladı. Bu teknolojilerden bir tanesi, Kaliforniya Üniversitesi’nin Santa Barbara Kampüsü’nde yer alan makina mühendisliği bolümündeki Profesör Otger Campas ve grubu tarafından gerceklestirildi ve geçtiğimiz ay Nature dergisinde yayınlandı [Mongera ve diğerleri, 2018]. Profesör Campas ve ekibi sundukları teknolojiyi kullanarak, mekanik kuvvetlerin zebra balığı embriyosunun gövdesinin gelişmesi üzerindeki etkisini araştırdılar. Bunu yapmak zorlu bir iş çünkü embriyo gelişimi çok dinamik bir süreç. Bu süreçte, hücrelerin sayısı, pozisyonları ve özellikleri sürekli değişiyor. Ayrıca mekanik kuvvetleri ölçerken,zebra balığının doğal gelişimini de etkilememek gerekiyor. Embriyoda ölçülen kuvvetler çok küçük olduğu için kullanılan teknolojinin oldukça hassas ölçüm yapabiliyor olması lazım. Profesör Campas ve ekibi tüm bu kriterleri sağlamak için hücre boyutlarında ve manyetik alana göre şekil değiştirebilen damlacıklar geliştirmişler. Bu damlacıklar biyolojik olarak hücrelerle uyumlular ve herhangi bir yan etkileri yok. Büyüyen zebra balığı embriyosunun içine enjekte edilen damlacıklar hücrelerin uyguladığı kuvvetlerden dolayı şekil değiştiriyor ve şekil değişiklikleri mikroskop yardımıyla rahatlıkla gözlemlenebiliyor. Damlacıkların şekil değişiklikleri üzerine fiziksel bir model de kuran Profesör Campas ve ekibi, damlacıkları takip ederek damlacığın bulunduğu hücre ortamının mekanik özelliklerini ölçebiliyor. Bu teknolojiyi kullanan araştırmacılar, zebra balığı embriyosunun gelişiminde iki temel mekanik faktör olduğunu ortaya çıkardılar. Bu faktörlerden birisi, hücrelerin kendi aralarında uyguladığı kuvvetler, bir diğeri ise o bölgenin genel mekanik özelliği (basitçe sert veya yumuşak olması gibi düşünebiliriz). Bu iki faktörün arasındaki ilişki zebra balığı gövdesinin gelişimini yönetiyor.Yumurta etrafında dönerek uzayan gövdenin kuyruk kısmında (aşağidaki videoda turuncu renkte göreceğiniz bölge) hücreler arası mesafe fazla ve bu bölgenin genel mekanik özelliği hücreler arasındaki kuvvetlerle benzer bir miktarda.  Dolayısıyla kuyruk kısmında, balın kabından dökülmesi gibi, gövde kısmen sıvı bir fazda uzuyor. Zamanla bu kısımda artan hücre miktarı bölgenin genel mekanik özelliğini de değiştiriyor. O bölgenin sertleşmesine ve hücrelerin daha durağan bir hale gelmesine sebep oluyor. Bu şekilde uzayan gövde belli bir noktada yumurtadan kopuyor. Bu gelişim şekli aslında cam üretimine de benziyor! Aşağıdaki linkte bu çalışmanın kısa bir özetini bulabilirsiniz:

Hazırlayan: Fazıl Emre Uslu

Düzenleyen: Tuğba Öztürk

 

Kaynaklar:

Vining, K. H., & Mooney, D. J. (2017). Mechanical forces direct stem cell behaviour in development and regeneration. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 18(12), 728.

Mohammadi, H., & Sahai, E. (2018). Mechanisms and impact of altered tumour mechanics. Nature cell biology, 1.

Ongera et al. (2018). A fluid-to-solid jamming transition underlies vertebrate body axis elongation. Nature, 1.

 

 

Görsel: https://unsplash.com/photos/6vEqcR8Icbs

Not: Görsel temsilidir.