BrainEx Sistemi

BrainEx projesi Yale üniversitesi tarafından finanse edilen ve geliştirilen bir projedir. Bu projenin temel amacı iskemi (dokunun kan akışının zayıflaması) sonrası temel fonksiyonları bozulan beyinde kan akışının tekrar sağlanması ve beynin gerekli fonksiyonları tekrar yerine getirebilecek hâle getirilmesidir. 2018 yılının Mayıs ayında bir grup Amerikalı araştırmacının çalışmaları hakkında ortaya atılan manşetlere göre ölü domuzların beyni tekrar çalıştırılmıştı. Halkın bir yandan merak bir yandan da büyük bir korkuyla takip ettiği bu çalışmalar, Yale üniversitesinde sinirbilim profesörü olan Nenad Sestan’ın yaptığı açıklama ile tam olarak anlaşılabilmiş ve durum netlik kazanmıştır.

BrainEx Nedir?

BrainEx, beyinde zararlı maddelerin birikmesine engel olan ve dolaşımı yeniden sağlayıp hücrelere ihtiyaç duydukları besin ve oksijeni tekrardan ulaştıran bir cihazdır. Beyne ihtiyaç duyduğu besin ve oksijeni taşıyan pompalardan ve filtrelerden oluşan karmaşık bir sisteme sahiptir. Henüz sadece domuzların beyinleri üzerinde yapılan çalışmalarda kullanılan  sistem, diğer memeliler ve insanlar için kullanılamamaktadır.

Proje Hazırlıkları

Yazının başında söylediğimiz üzere proje mezbahadan alınan ölü domuz beyinleri üzerinde geliştirilmiştir. Beyin, iskemiden sonra dakikalar içinde işlevlerini kaybetmeye başlar ve yapısında bozulmalar görülür. Hem insan hem de diğer memeliler üzerinde yapılan çalışmalara göre beyinde kan akışının kesilmesi ile ilk olarak bilinç ve elektriksel aktivite saniyeler içinde kaybolur. Beyin için hayatî önem taşıyan atp ve glikoz kaynakları ise 4 ila 8 dakika içerisinde tükenir. Bu durum, perfüzyonun tekrar sağlanamaması durumunda pek çok zararlı mekanizma tarafından beyin zarına ve fonksiyonlarına kalıcı zarar verilmesi nedeniyle iskemiyi ölümcül kılar.

Öte yandan, bağımsız olarak yapılan çeşitli gözlemler bu durumun aslında böyle olmadığına işaret etmektedir. Öncelikle birçok memelinin ölü beyinleri üzerinde yapılan çalışmalarda çeşitli hücresel aktivitelere ve elektrofizyolojik kayıtlara rastlanmıştır. Kedi başta olmak üzere bazı memelilerin vücutlarında bir saatlik iskemiden sonra perfüzyonun tekrar sağlanması üzerine çeşitli metabolik iyileşmeler de görülmüştür. Bununla birlikte canlılarının pek çoğunun hücrelerinde bulunan mitokondriler insana ait dokularda 10 saate kadar canlı kalabilmektedir. Son olarak daha önce hipotermiden kaynaklanan uzatılmış asistolden tam nörolojik iyileşme görüldüğüne dair bir rapor da bulunmaktadır. Bütün bunlar canlının ölümünden sonra uygun koşullar altında beynin bozulmadan -en azından bazı işlevlerinin korunarak- saklanabileceğini göstermektedir.

Sistem genel olarak kontrol perfüzyonunu ve hemoglobin bazlı, hücresel olmayan, ekojenik, pıhtılaşmayan bir madde olan BrainEx perfüzyonunu beynin arterlerine perfüze eden perfüzyon mekanizmalarından oluşmaktadır. Ayrıca bu yeni teknolojide hemodiyafiltrasyon ve gaz infüzyonu gibi beynin fonksiyonlarını koruyabilmesi için gerekli işlevleri sağlayarak beynin homeostazına (hücrenin kendi metabolizmasını koruması) yardımcı olan ve bu açıdan vücudun diğer organlarına benzer fonksiyonlara sahip mekanizmalar da kullanılmıştır.

Çalışma süresince ortaya atılan tezlerin doğru olup olmadığı ve sistemin istenildiği gibi çalışıp çalışmadığının anlaşılabilmesi için beyinler dört gruba ayrılarak incelenmiştir. Birinci gruptakiler kontrol perfüzyonu ile beslenen beyinler iken ikinci gruptakiler BrainEx perfüzyonuyla beslenenlerdir. Üçüncü gruptaki beyinler hiçbir sıvı perfüze edilmeyen ve 1 saat boyunca oda koşullarında muhafaza edilenler, dördüncü gruptakiler ise hiçbir sıvı perfüze edilmeyen ve 10 saat boyunca oda koşullarında bekletilen beyinlerdir.

Dolaşımın Yeniden Sağlanması

Çalışmaların ilk aşamalarından sonra ilk iki gruba perfüze edilecek olan kontrol perfüzyonu ile özel BrainEx perfüzyonunun istenildiği gibi karotid arterlere ve beynin diğer damarlarına ulaşıp ulaşmadığıyla beyin içi dolaşımın tekrar sağlanıp sağlanmadığının anlaşılması gerekiyordu. Öncelikle, kontrol perfüzyonunun dört saat boyunca perfüze edilmesinin ardından beynin içindeki arterlerin akış hızı besleme işleminden önceki akış hızıyla karşılaştırılmalıydı. Bunun için kontrast bir madde olan ve tıbbi görüntülemelerde kullanılan renkli doppler, kontrol perfüzyonu ile karıştırılarak beyne perfüze edildi. 4 saatlik perfüzyonun ardından yapılan görüntülemede beyindeki akış hızının düştüğü, daha sonra yapılan görüntülemelerde ise akış yokluğu gözlemlendi. Ancak BrainEx perfüzyonunun aynı şekilde 4 saat boyunca perfüze edildiği ikinci gruptaki beyinlere global mikro-bilgisayarlı tomografi teknolojisi olan anjiyografi uygulandığında büyük arterlerde ve küçük arteriyollerde kontrast maddenin mevcut olduğu anlaşıldı. Daha sonrasında yapılan görüntülemelerde kılcal damarlarda ve arterlerde akışın devam ettiği görüldü. 

Bu yöntem sonucu elde edilen veriler gerçekten de enjekte edilen sıvının beyin damar sistemi üzerinde yayıldığını göstermiştir. Bu da sistemin en azından beynin dolaşımını yeniden sağlama kapasitesine sahip olduğunu göstermiştir.

Beynin Doku Bütünlüğünün ve Fonksiyonlarının Korunması

Araştırmacıların yukarıda sözü geçtiği üzere beynin perfüzyonunun tekrar sağlandığını göstermesinin ardından perfüzyonu yapılan çözeltinin beynin yapısı ve fonksiyonları üzerindeki etkisini göstermeleri gerekiyordu. Sonuçta ölümden sonra beynin dolaşımını sağlamalarındaki temel amaç beynin bazı işlevlerini yeniden sağlamaktı.

Öncelikle, sıvı perfüze edilen ve edilmeyen beyinleri MR cihazıyla görüntüleyerek beynin içinde dolaşımın sağlandığı perfüzatların beynin doku bütünlüğünü nasıl etkilediği anlaşılmalıydı. Yapılan analizlerde BrainEx solüsyonu (çözeltisi) ile beslenmiş olan beyinlerde nöroanatomik yapının ve beynin gri – beyaz kontrastının bozulmadan kaldığı görülmüştür. Bu beyinler iskemi ve kan akışının kesilmesinden 1 saat sonra sonra canlının vücudundan alınıp incelenen beyinlerle (3.grup) karşılaştırılabilir nitelikteydi. Daha sonra incelenen kontrol solüsyonu perfüze edilmiş beyinlerde ise durum ilk beyinlerden farklıydı. Yaygın doku hasarı azalmış sinyal yoğunluğu ve nöronal aktivite vardı, bu da ödemin varlığına işaret ediyordu. Ödemin ağırlığını ölçmek isteyen araştırmacılar beyinlerin ıslak ve kuru ağırlıklarını karşılaştırdı. İskemiden 10 saat sonra incelenen beyinler (4.grup) ile kontrol solüsyonu perfüze edilmiş beyinler (1.grup) su miktarındaki azalışla birlikte ödem büyümesi gözlenmesi bakımından birbiriyle benzerlik gösteriyordu. Buna karşı iskemiden 1 saat sonra incelenen (3.grup) ve BrainEx solüsyonu perfüze edilen beyinlerde (2.grup) sıvı miktarında da ödem ağırlığında da anlamlı bir fark oluşmuyordu.

Araştırmacılar daha sonra anoksi (oksijensizlik) ve iskemiye karşı diğer bölgelere göre daha hassas olan hipokampal bölgeleri incelediler . Bunu yapmak için öncelikle ölüm veya felç sonrasında oksijen ve kan kaybına oldukça duyarlı olan beyin bölgelerindeki nöron hücrelerini incelediler. BrainEx kurulumundan beyinleri çıkardıktan sonra bu alanlardan kesitler aldılar ve genel yapılarını görselleştirmek için hücre gövdelerini boyadılar. Miyelin gibi yapılar her koşulda korunuyordu ancak bütün beyin gruplarında çeşitli sitoplazmik bozulmalar ve hücre zarının bozulması gibi durumlarla karşılaşıldı. BrainEx ile perfüze edilen nöronların genel olarak şekli korunurken diğer gruptakilerin yapısında şişme ve hasar belirtileri görüldü.

Bununla birlikte iskemiden 1 saat ve 10 saat sonra alınan beyinlerde mitokondriyal bozukluklar görülmesine karşın BrainEx solüsyonu perfüze edilmiş beyinlerde mitokondrinin fonksiyonlarının ve yapısının korunduğu görülmüştür. Ayrıca hücre zarı ve çekirdeğinin yapısının en az bozulduğu grup yine BrainEx solüsyonu perfüze edilen grup olmuştur.

Sonraları, özellikle homeostazın sürdürülmesinde ve nöronlara destek ve koruma sağlanmasında son derece önemli olan glial hücrelere baktılar. Şaşırtıcı bir şekilde, bulguları nöronları inceledikleri zamankine benzerdi; BrainEx solüsyonu ile perfüze edilen beyinlerde, ölümden sadece 1 saat sonra alınan beyinlere benzer lekelenmeler görülür iken kontrol solüsyonu verilen beyinlerde ve ölümden 10 saat sonra alınan beyinlerde, hücresel yıkım belirtileri gösteren parçalanmış sinyaller görüldü. Yine bu sonuçlar, BrainEx solüsyonunun ölümden sonra anoksi ve iskeminin hücresel yapı üzerindeki sonuçlarını hafiflettiğini göstermektedir. Bu hücrelerin sağlıklı gözüktüğü anlaşıldıktan sonra araştırmacılar glial hücrelerin yapısını ve fonksiyonlarını koruyup korumadığını sorgulamaya başladılar.
Daha önce yapılan çalışmalar lipopolisakkaritlerin neokortekse enjeksiyonunun glial hücre aktivasyonuna ve inflamatuar moleküllerin (iltihaplanmayı başlatan ve düzenleyen molekül) salınmasına yol açtığını göstermiştir. Araştırmacılar glial hücrelerin her koşulda yaşayıp yaşamayacağını görmek için 4 gruba ayırmış oldukları beyinlerin kortekslerine lipopolisakkarit enjekte ettiler. Daha sonra enjekte edilen alanı incelediler. Yapılan analizler sonucunda BrainEx solisyonunun yalnızca astroglial ve mikroglial hücrelerin sayısını korumakla kalmayıp aynı zamanda inflamatuar hücrelere yanıt verip onarma işlemlerini de yapabildiği görülmüştür.

Sinaptik Organizasyon ve Nöronal Aktivite

Araştırmacıların nöronal aktivitenin korunup korunmadığını görmek için nöronlar arasında iletimi sağlayan sinapsları incelemeleri gerekiyordu. Analizler, 1 saat muhafaza edilen beyinler ile BrainEx solüsyonu enjekte edilen beyinlerdeki sinapslarda veziküler yapının bozulmadığını ancak diğer iki beyin grubunun sinapslarında kayda değer miktarda bozulmalar yaşandığını gösterdi. Bu bulgular, nöronların birbirleriyle iletişim kurması için gereken hücresel yapının BrainEx teknolojisi altında korunduğunu gösteriyor.

Sinapsın yapısal bütünlüğünün korunduğu doğrulandıktan sonra bilim insanları için son adım, beynin bir dilimindeki nöronal aktiviteyi gerçekten ölçmekti (özellikle, diğerlerinin hepsinde olduğu gibi, yalnızca BrainEx solüsyonu serpilmiş beyinlerden başarılı bir şekilde kayıt yapabildiler). Hipokampustan dilimler aldılar ve hücrelerin aktivitesini kaydetmek için elektrotlar kullandılar. Sonuç olarak taze bir beyin diliminden bekleyeceklerine benzer desenler buldular. Bu durum, bu nöronların bazı işlevsel canlılıklarını yeniden kazandıklarını -veya belki de hiçbir zaman tamamen kaybetmediklerini- göstermektedir.

Metabolik Faaliyetler

Araştırmacılar son olarak BrainEx perfüze edilmiş beyinlerde çeşitli hücresel fonksiyonların yeniden canlandığına dair kanıtlar ile deney boyunca arteriyel ve venöz numuneleri karşılaştırarak platformun küresel metabolik aktiviteyi iyileştirme ve sürdürme kapasitesini değerlendirdi. Yaptıkları ölçümler, beynin tutarlı miktarlarda oksijen ve glikoz tükettiğini, eş zamanlı olarak karbondioksit ürettiğini göstermiştir. Ayrıca ortamda görülen pH düşüşü de bulguları destekleyecek şekilde su üretiminin olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte 1 saatlik BrainEx solüsyonunun perfüzyonun ardından hem potasyum hem de sodyum konsantrasyonu bakımından fizyolojik aralıkta normalleştiği görülmüştür. Bu da hücrelerin aktif taşıma yaptığını dolayısıyla metabolizmanın yeniden canlandığını göstermektedir.

BrainEx Sisteminin Sonuçları

Canlılar için ölüm anlık olarak gerçekleşmeyen, belirli süreçlerin birbirini takip etmesiyle meydana gelen bir hadisedir. BrainEx sistemi beynin aldığı hasarların uygun koşullar altında gerekli aşamalardan geçerek restore edilebileceğini ve beynin en azından bazı fonksiyonlarına geri döndürülebileceğini göstermiştir. Eğer laboratuvarda işlevsel beyinler bir bütün olarak incelenebilirse küresel anoksi veya iskemi sonrasında beynin nasıl iyileştiği belki daha iyi anlaşılabilir. Böylece kalp krizi veya felç geçiren ve beyne giden normal kan akışını geçici olarak kaybedebilecek kişilerin daha iyi tedavi edilmesi sağlanabilir.

OrganEx Sistemi

OrganEx sistemi, Yale üniversitesinin tıp fakültesi bölümünden Prof.Dr.Nenad Sestan liderliğinde NIH tarafından finanse edilen bir araştırma ekibiyle geliştirilmiştir. Bu sistem insanlar üzerinde değil, insanlarla fizyolojik açıdan pek çok benzerlik gösteren domuzlar üzerinde geliştirilmiştir. Sistem; daha önce geliştirilen, canlının ölümünden bir saat sonra beyninin tekrar çalışmasını ve hücrelerin bazı fonksiyonlarının geri kazanılmasını sağlayan, bizim de yazının ilk kısmında ele aldığımız BrainEx sistemine bağlı olarak geliştirilmiştir.

Nenad Sestan OrganEx sistemi için, “İskemiye en duyarlı olduğu bilinen organ olan ölü beyindeki belirli hücresel fonksiyonları geri getirmemiz sebebiyle, benzer bir şeyin diğer hayatî önem taşıyan, nakledilebilir organlarda da elde edilebileceğini varsaydık” demiştir.

OrganEx sisteminde de BrainEx sistemine benzer bir perfüzyon makinesi kullanılmıştır. Bu perfüzyon makinesi ölü domuzun kanı ve özel koruyucu bir sıvı perfüze etmektedir. Bu sıvı, oksijeni ve kırmızı kan hücrelerinde oksijen taşıyan proteinin (hemoglobin) sentetik bir formunu içerir. Ayrıca hücreleri korumak ve kan pıhtılarını önlemek için tasarlanmış olan elektrolitler ve bileşikler de içerir
.
Araştırma ekibi OrganEx sistemini kalp krizi sonucunda ölen domuzlar üzerinde kullandı. Domuzlara perfüzyon, ölümlerinden yaklaşık 4 saat sonra başlatıldı ve 6 saat sürdürüldü. Bu süre zarfında OrganEx perfüzyonu hücre ve doku bütünlüğünü korudu, çeşitli organlarda hücre ölümünü azalttı. Bunlara örnek olarak beyin, kalp, karaciğer ve böbrekleri verebiliriz. OrganEx beyinde üç ana hücre tipinin tamamını korudu: nöronlar, astrositler ve mikroglia. Kalp, karaciğer ve böbreklerdeki hücrelerin ise standart cihazla tedaviden sonra diğer hücrelere göre daha az hasar gördüğünü söylemek mümkün.

Araştırmacılar ayrıca, perfüze edilen domuzlarda organ fonksiyonunun düzeldiğine dair işaretlerle karşılaştılar. Beyin, kalp ve böbreklerde glikoz alımını gözlemlediler. Ek olarak kalpte elektriksel aktivitenin ve kasılmanın; karaciğer ve beyinde ise protein sentezinin varlığı dikkat çekti. Birkaç organda ise hücresel onarım süreçleriyle ilişkili olan ve hücre ölümünü önleyen genlerin etkinleştiği anlaşıldı.

Araştırmacıları şaşırtan bir diğer konu ise saatler önce ölen hayvanların üzerine görüntüleme için bir iyot kontrast solüsyonu enjekte edildiğinde başlarını sallamaları ve vücutlarında tekrardan kasılmaların başlamasıydı. Bu kasılmalar Lazarus etkisi denen bir etkinin göstergesidir. Lazarus etkisi, beyin ölümü gerçekleşen canlılarda görülür ve bazı organların en azından bazı işlevlerini yerine getirmeye devam ettiğinin göstergesi olarak kabul edilir. Yani ölü canlıların vücudunun bazı kısımlarında tekrardan yaşamsal faaliyetlerin başladığı görülmüştür. Ancak araştırma ekibi üyesi Dr. Stephen Latham, beyinde herhangi bir etki olduğuna dair bir belirti bulunmadığını vurguladı.

Bu bulgular, organların kan akışının durmasından sonra bir saate kadar iyileşme potansiyelinin bulunduğunu ortaya koymaktadır. OrganEx teknolojisi, insanın donör organlarının ömrünü uzatmak için bu potansiyelden yararlanabilir. Bu durum, nakil için daha fazla organın kullanılabilir olmasını sağlayabilir. Ancak Yale üniversitesinde ekip ile yakın bir çalışma içerisinde bulunan Dr. Stephen Latham, bulguların yalnızca bir ilk adım olduğunu söyledi. Günümüz teknolojisinin “insanlarda kullanım için yetersiz” olduğunu vurguladı. Yale, bu teknoloji için patent başvurusunda bulundu. Dr. Sestan, bir sonraki adımın organların düzgün çalışıp çalışmadığını ve başarılı bir şekilde nakledilip nakledilemeyeceğini görmek olacağını söyledi. Bundan bir süre sonra ise araştırmacılar, yöntemin hasarlı kalpleri veya beyinleri onarıp onaramayacağını test etmeyi umuyorlar.

Uzmanlarca yapılan bazı açıklamalarda bu teknolojinin gelecekte beyin ölümü olmayan ancak yaşam desteğinin de faydasız olduğu beyin hasarı durumlarında kullanılabileceğini açıkladı. Bazen hastalar yaşam desteği kesildiğinde hemen ölmez fakat kalpleri organlarının sağlıklı kalamayacak kadar zayıf atar. Böyle durumlar için de bu teknoloji kullanılabilecektir.

Sonuç olarak BrainEx ve OrganEx sistemleri günümüzde insanlar için kullanılmaya oldukça uzak olsa da gelecekte dönor organların kullanılabilirliğini büyük ölçüde arttırması beklenen teknolojilerdir. İşin ilginç tarafı ise yapılan araştırmalarda ölmüş canlıların tekrardan bazı yaşamsal faaliyetleri göstermeleri fizyolojik açıdan ölüm kavramının yeniden araştırılıp üzerinde durulması gerektiğini göstermiştir.

Kaynakça

Hathaway. B. (2022, 2, Ağustos). Yale-developed technology restores cell, organ function in pigs after death. Yale News. https://news.yale.edu/2022/08/03/yale-developed-technology-restores-cell-organ-function-pigs-after-death
Hathaway. B. (2019, 17, Nisan). Scientists restore some functions in a pig’s brain hours after death. Yale News. https://news.yale.edu/2019/04/17/scientists-restore-some-functions-pigs-brain-hours-after-death
Andrijevic, D., Vrselja, Z., Lysyy, T. et al. (2022). Cellular recovery after prolonged warm ischaemia of the whole body. Nature 608, 405–412. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05016-1
Kolata G. (2022, 3, Ağustos) A ‘Reversible’ Form of Death? Scientists Revive Cells in Dead Pigs’ Organs. The Newyork Times. https://www.nytimes.com/2022/08/03/science/pigs-organs-death.html
Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., (2001). Neuroscience. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10869/
PennMedice. (t.y.) Carotid Artery Disease. Penn Medicine https://www.pennmedicine.org/for-patients-and-visitors/patient-information/conditions-treated-a-to-z/carotid-artery-disease#
Cleveland Clinic (t.y.) Inflammation. Cleveland Clinic https://my.clevelandclinic.org/health/symptoms/21660-inflammation
Yale University (t.y.) Stephen Latham. Political Science Yale. https://politicalscience.yale.edu/people/stephen-latham
Moyer N. (2021, 11, Ocak) Coming Back to Life After Dying: What to Know About Lazarus Syndrome. Healthline https://www.healthline.com/health/lazarus-syndrome
Vrselja, Z., Daniele, S.G., Silbereis, J. et al. (2019). Restoration of brain circulation and cellular functions hours post-mortem. Nature 568, 336–343 https://doi.org/10.1038/s41586-019-1099-1