Gen terapisi ve alg proteinleri kör bir adamın görüşünü kısmen de olsa nasıl onardı?

Gen terapisi ve alg proteinleri kör bir adamın görüşünü kısmen de olsa nasıl onardı?

Nöronları kontrol etmek için ışıktan yararlanarak nörobilimde çığır açan gen terapisi ve optogenetik sayesinde; önceden kör olan bir hasta, ışığı algılayan alg proteinlerinin yardımıyla artık dünyayı kısmen de olsa görebiliyor.

Hasta, eğitim ve özel bir gözlükle yaya geçidindeki beyaz çizgileri görebilir ve farklı nesneleri tanıyabilirdi. Alg proteinlerine göre beynin görme korteksi de yeniden düzenlendi. Hibrit göz; defter, zımba kutusu ve birkaç tane bardak gibi birçok nesneye baktığında yeni ışık sensörleri harekete geçti. Hastanın görme yeteneği; bir nesneyi işaret edebileceği, uzanıp kavrayabileceği ve sayısını sayabileceği bir noktaya geldi.

Kısaca, insan beyni alg ışık algılayıcılarından gelen görsel bilgiye kendi ayarladı ve beyin bunu anlamlandırabildi.

Hasta; görme yeteneğini onarmak amacıyla gen terapisi ve optogenetiği bir araya getiren PIONEER adlı klinik testlerin bir parçasıdır. 2020’nin sonlarından itibaren yedi hastaya alg ışık algılama genini taşıyan bir virüs enjekte edildi. Covid-19 nedeniyle, yedi hastadan yalnızca burada bahsedilen hasta testlere devam edebildi, fakat ilerleyen süreçte daha fazla sonuç gelecektir.

Çalışmayı Basel Üniversitesi’nden Dr. Botond Roska ile birlikte yürüten Pittsburg ve Sorbonne Üniversitesi’nden Dr. Jose Alain Sahel, “Bunun büyük bir dönüm noktası olacağını umut ediyorum” dedi.

Neden Alg?

58 yaşındaki adamın, retinadaki ışığa duyarlı nöronları yavaş yavaş hasara uğratan kalıtsal bir bozukluk olan retinitis pigmentosa (RP)* adı verilen bir hastalığı var. Kırk yıl önce hastalığın teşhisi konulmuş ve görüşü o kadar bozulmuş ki artık ışık parlamalarını bile zar zor görebiliyordu.

Retina, temel olarak gözün arkasında bulunan çok tabakalı küçük bir bilgisayardır. Işık retinaya çarptığında retinanın en üst tabakasının yüzeyindeki rodopsin adlı bir grup protein, fotonları elektrik sinyallerine çevirir. Elektrik sinyallerini beynin dili olarak kabul edebiliriz.

Bu sinyaller nöral ağlardan geçerek göz beyin bağlantısının bulunduğu gangliyon hücrelerine iletilir. Bu hücreler verileri diğer retinal hücrelerden alarak tıpkı renkleri kodladıkları gibi gözler ve görsel korteks arasındaki esas bağlantıyı kurmak için uzun “kollarını” uzatır. Beyin gelen verileri işler ve bilincimize getirir ve evet, işte bu! Artık gördüklerimiz anlamlandırabiliriz.

Retinitis pigmentosa hastalığında hücrelerin ışığa duyarlı tabakası hasar görür fakat retinanın diğer kısımları sağlamdır. Peki, ışığa duyarlı proteinler olan rodopsinleri başka bir alternatifle değiştirsek ne olur?

Algleri ele alalım. Algler, türlerine bağlı olarak ışığa doğru hareket etmelerine rehberlik eden etkileyici bir ışık algılayıcı protein repertuarına sahiptir. Geçtiğimiz on yıl içerisinde Stanford Üniversitesi’nden bir ekip, şöyle bir fikir önerdi: Bu alg proteinlerini kodlayan genleri alıp, memelilerin beyin hücrelerine yerleştirerek onları ışığa yanıt vermede süper güç haline getirebilir miyiz?

Sonuç, nörobiliminin en popüler araçlarından biri haline gelen zihin kontrol tekniği olan optogenetik alanıydı. Burada, bilim insanları genetik mühendisliğini kullanarak farklı türlerdeki alg proteinlerini farelerin beyinlerine yerleştiriyor ve belirli dalga boylarına sinyal göndererek yerleştirilen fiber optik kabloyla nöronu etkinleştiriyorlar. Bu gelişmiş beyin hücreleri, doğal olarak tepki verip farenin beyni tarafından iletilen ve yorumlanan bir elektrik sinyali üretiyor.

Bütün bunlar size bir yerden tanıdık geliyor mu?

Bir alg proteini, beyindeki nöronların ışığı elektriksel bilgiye dönüştürmesine yapay olarak izin veriyorsa aynı şeyi hasarlı gözler için neden yapmasın?

Hibrit Gözler

Ekip; yeni çalışma için sarı renkli ışıkta etkinleşen ışığa duyarlı alg proteini olan ChrimsonR’ı kullanmaya karar verdi. MIT Üniversitesi’nden Dr. Ed Boyden’ın geliştirdiği ChrimsonR, diğer varyantlara göre daha az toksikti ve o zamandan beri optogenetiğin ayrılmaz bir parçası haline geldi.

Sahel, “Bu, optogenetikte çok önemli bir parametre olan düşük ışık toksitesine sahip bir dalga boyudur.’’ dedi.

ChrimsonR’yi kodlayan genler bir viral aktarım sistemine paketlendi ve hastanın az gören gözüne enjekte edildi. Ekip, gözler ile beyin arasındaki bağlantıyı sağlayan gangliyon hücrelerini hedef aldı.

Sahel, “Henüz hasar görmemiş, beynin görme merkezleri bağlantısı hâlâ devam eden gangliyon hücrelerini etkinleştirip dönüştürmek için optogenetiği kullanmayı planlıyoruz.” dedi.

Dışarıdan aktarılan proteinlerin hastaların gözlerine tamamen ulaşması birkaç ay sürüyor. Ekip, aynı zamanda renkli dünyamızı ChrimsonR’ın algılayabileceği (bunun sadece sarı ışıkla etkileştiğini unutmayın) monokrom (tek renkli) resme dönüştürebilecek bir ışık kaynağı geliştirmeye çalışıyor. Böylelikle mümkün olduğunca fazla sayıda görsel bilgi aktarılabilir hale gelecek.

Ekibin çözümü; görsel dünyamızdaki görüntüleri yakalayan ve ışık yoğunluğundaki değişiklikleri piksel piksel ayıran nöromorfik kameralı gözlük oldu. Kamera, tıpkı sinema perdesini aydınlatan bir film projektöründe olduğu gibi görüntüleri sarı ışıktan yapılan monokrom resme dönüştürecek ve retinaya yansıtacaktı.

Hasta daha sonra gözlerini hareket ettirmeye yönelik doğal içgüdüsünü yeniden kazanmak için birden fazla egzersiz yapmaya başladı. Bakışlarının yönüne hâkim olur olmaz gözlerini, gözlükle yansıtılan ışık demetine kaydırmayı başardı.

İlk tepki ne mi oldu? Çizgiler titreşti.

Ardından hasta önüne konulmuş birçok nesneyle test edildi. Gözlüksüz hiçbir şey algılayamadı. Ancak gözlüğün etkinleştirilmesinin ardından bir nesneyi algılayıp ona uzanıp tutabildi. Hastanın tedavi edilen gözüne, gözlükler takıldı. Önündeki nesnelerin kaç tane olduğunu söylemesi istendiğinde parmağını nesnelere uzatarak ve verdiği cevapların yüzde 63’ü doğru çıktı.

Ekip bu testleri mümkün olduğunca gerçek hayata da uyguladı. Dünyamız; mevsime, havaya veya evde kullandığımız ampullere bağlı olarak ışık konusunda büyük ölçüde değişen kontrastlara sahiptir. Burada, farklı kontrast seviyelerinde üç tane nesne gösterdiler. Eski fotoğraf baskılarında olduğu gibi açık grinin hâkim olduğu bir fotoğraf bu nesnelere örnek gösterilebilir. Hasta, alg ile güçlendirilmiş gözleriyle düşük kontrastlarda bile nesneyi tespit etti.

Uyarlanabilen Beyin

Alg proteinini bir insanın gözlerine yerleştirip bunu sonucunda görme yetisini biraz olsun onarabilmek oldukça çılgınca. Beynin dışarıdan gelen bir sensöre uyum sağlaması ve sinyalleri yorumlaması daha da çılgınca.

Hasta yeni hibrit gözlerine ve gözlüklerine alışması için eğitilirken, ekip ayrıca elektrik sinyallerini kafa derisi üzerinden yakalayan yüzücü şapkası benzeri bir sistem olan EEG (elektroensefalografi) kullanarak görme korteksinin faaliyetlerini de ölçtü. Şaşırtıcı bir şekilde hastanın görme korteksi alg algılayıcılarından gelen bilgileri okumayı öğrendi. Bu, hastanın önüne bardak konulup konulmadığında gösterdiği elektriksel modellerde net bir ayrım olduğunu gösterdi.

Araştırmada yer almayan Boyden şunu söylemektedir: “Şimdiye kadar optogenetiği en büyük etkisinin hissedildiği yer olan bilim insanları için bir araç olarak düşünmüştüm. Fakat insanlara doğrudan uygulanabilirse yeni bir tür beyin-makine arayüzünde pek çok sınırı ortadan kaldırabilir.”

Sırada pek çok hasta olduğundan ekip, PIONEER testlerine kaldığı yerden devam etmek için can atıyor. Toksik etki yaratmadan göze ne kadar CrimsonR gönderileceği ana sorulardan biri. Mevcut çalışma düşük dozda başladı sonrasında kademeli olarak artırıldı. Ciddi bir yan etki gelişmedi ve en azından bir yıldır ilerlemeler devam etti.

Hasta henüz yüzleri fark edecek görsel keskinliğe sahip değil ve görüşü biraz dalgalı. Gen terapisinin retinanın çevresel bölgelerine ulaşması daha zor olduğundan kısmen periferik körlük** (tünel görüşü) de var. Ekip, bundan sonra sistemini gündelik hayatta denemeyi planlıyor. Ayrıca, her bir gönüllünün gözlüğüne ince ayarlar yapacaklar. Böylelikle hastalar normal biyolojik süreçlerine uyum sağlayacak ve görüşleri iyileşecek. Roska “Hastalardan öğreniyoruz. Bize ne gördüklerini ve onarılan görme yeteneklerini nasıl kullandıklarını anlatıyorlar” dedi.

* Retinitis pigmentosa, halk arasında tavuk karası hastalığı olarak bilinmektedir.

** Periferik körlük (tunnel vision) ya da tünel görmede, görme alanı sadece gözün merkez/orta bölgesindedir.

Yazar: Shelly Fan

Çeviren: Nuray Turan

Düzenleyen: Zeynep Özçelik

Kaynak: Singularityhub

Leave a comment