Biyoteknolojinin Tıp Alanındaki Uygulamaları

Konu Anlatımı

Biyoteknoloji ve Tıp Alanındaki Uygulamaları

Biyoteknoloji, canlıların yapısını ve çalışma düzenini anlamaya dayanan biyolojik bilgileri ürün, hizmet ve yöntem üretmek için kullanan alandır. Tıp alanındaki uygulamaların temeli, bir genin işlevini bilmek ve o geni ya da gen ürününü istenen hücrede istendiği miktarda üretmektir. Günümüzde ilaç üretimi, hücre kültürü, monoklonal antikorlar, kök hücreler, rekombinant aşılar ve gen tedavisi bu alanın başlıca uygulamalarıdır.

Bu uygulamalarda iki yaklaşım vardır. Biyoteknolojik ürün yaklaşımında bakteri, maya veya hayvan hücresi bir üretim fabrikası gibi kullanılır; istenen proteinin geni hücreye aktarılır, hücre çoğaltılır ve ürün ortamdan toplanır. Hücre tedavisi yaklaşımında ise hastanın kendi hücresi dışarı alınır, bu hücre üzerinde gen düzeltmesi ya da farklılaştırma yapıldıktan sonra hücre yeniden hastaya verilir. Tıp alanındaki bütün uygulamalar bu iki yaklaşımdan birine dayanır.

İlaç Üretimi ve Rekombinant DNA

Geleneksel yöntemlerde ilaç öncülü doğrudan doğadan elde edilirken, biyoteknolojik yöntemlerde aynı madde çok daha saf ve standart biçimde üretilir. Vücutta az miktarda bulunan ve saf olarak elde edilmesi güç olan hormonlar için bu yaklaşım büyük önem taşır. Somatostatin gibi çok kısa hormonlar, insan insülini ve büyüme hormonu bu yöntemle üretilebilen moleküllere örnektir.

Üretim sürecinin ilk adımı hastalıkla ilgili genin yalıtılması ve istenen bölümünün kesilmesidir. Bu iş için restriksiyon endonükleaz enzimi kullanılır; enzim belirli tanıma dizilerini tanıyıp DNA'yı belirli bir yerden keser. Kesilen parçalar bir taşıyıcı vektörle birleştirilir; bu birleşimde DNA ligaz enzimi görev alır. Genellikle bakteri kromozomundan bağımsız, kendini eşleyebilen küçük halkasal DNA parçası olan plazmit vektör olarak kullanılır. Taşıyıcıya aktarılan DNA bakteriye verildiğinde, bakteriyi seçici ortamda çoğaltarak üretim yapılır.

İnsan insülini 51 amino asitlik iki zincirden oluşur; A zinciri 21, B zinciri 30 amino asit içerir. Genetik mühendisliğiyle üretimde iki yol izlenir. Birincisinde iki zincir ayrı ayrı bakteri hücrelerinde üretilip sistein içeren uygun bir ortamda birleştirilir. İkincisinde önce proinsülin adı verilen öncül form üretilir; buradaki C peptidi uygun enzimlerle uzaklaştırılır ve biyolojik etkinliğe sahip insülin elde edilir. İnsan genindeki intronları bakteri işleyemediği için, aktarılan DNA parçasından intronlar çıkarılır; bakteri yalnızca kodlayan bölgeleri okuyabilir.

Hücre Kültürü

Hücre kültürü, canlıdan alınan hücrelerin yapay besin ortamında uygun sıcaklık ve gaz koşulları altında büyütülmesidir. İnsan hücreleri için kültür kabı genellikle %5 karbondioksit ve %95 hava içeren bir ortamda 37 °C'de tutulur; karbondioksit, ortamdaki pH'ın kaymasını önler. Besin ortamı amino asitler, glukoz, vitaminler, mineraller, serum ve tampon içerir. Serum hücrenin besin ve büyüme gereksinimini karşılayan bileşenleri sağlar.

Kültüre alınan hücreler primer kültür olarak adlandırılır. Besin ortamı tükenip hücreler çoğalma kapasitesini yitirdiğinde pasajlama (alt kültür) yapılır; hücreler bölünerek türetilen yeni kültürlere aktarılır. Kültürde en önemli sorun kontaminasyondır; bakteri, maya, mantar ve mikoplazma bulaşması denetimli ortam ve düzenli tekniklerle önlenir. Bulaşma olursa hücrenin kaynağı ve kimliği güvenilmez hâle gelir.

Sürekli bölünen hücre soyları elde edilebilir. Örneğin HeLa hücreleri, insan servikal kanser hücrelerinden türetilmiş ve uzun yıllardır laboratuvarlarda çoğaltılan bir soydur. Kültürde çalışılan hücrenin karyotipi incelenerek kromozom sayısı ve yapısı denetlenir. Sağlıklı bir insanda somatik hücre 2n = 46 kromozom taşır; bu, 23 homolog kromozom çifti demektir. İnterfazın S evresinde DNA eşlendiği için kromozom sayısı değişmez, ancak her kromozom iki kromatitli hâle gelir; böylece hücrede 46 kromozom ve 92 kromatit bulunur. Kardeş kromatitler sentromer bölgesinden birbirine bağlıdır. Yumurta hücresi ise haploittir, n ile gösterilir; 2n = 46 olan bir insanda n = 23 olur.

Monoklonal Antikorlar

Antikorlar, belirli bir antijene özgü biçimde üretilen ve yalnızca o antijenle özgül biçimde bağlanan proteinlerdir. Bir hastanın farklı bağışıklık hücrelerinden elde edilen antikorlar farklı antijenleri tanıyabildiği için poliklonal adını alır; buna karşılık tek bir hücre klonundan gelen antikor monoklonal olarak adlandırılır.

Monoklonal antikor üretiminde miyelom hücresi ile B lenfosit kaynaklı hücreler kaynaştırılır. Miyelom hücresi sürekli çoğalabilme ve antikor üretme yeteneğini taşır; lenfosit ise istenen antijene özgü bağışıklık bilgisini sağlar. Oluşan hibritoma hücresi, çok sayıda klon çoğaltıldığında her klondan aynı antikor elde edilir. Bu yöntem Köhler ve Milstein tarafından geliştirilmiştir.

Monoklonal antikorlar hem tanı hem de tedavi amacıyla kullanılır. Gebelik testlerinde idrardaki hCG hormonunu tanıyan antikor, tiroid hastalıklarının değerlendirilmesinde kullanılan antikorlar ve kanser tedavisinde tümör hücrelerini hedef alan antikorlar örnek olarak sayılabilir. Monoklonal antikor üretiminde ilk işlem, antikor üretmeyen klonları elemek ve istenen antikoru üreten klonu seçmektir.

Kök Hücreler ve Rejeneratif Tıp

Kök hücre, kendini yenileyebilen ve farklılaşarak başka hücre tiplerine dönüşebilen hücredir. Farklılaşma kapasitesine göre üç düzeyde ele alınır. Totipotent hücreler zigot ve morula gibi en erken evrelerdeki hücrelerdir; bunlardan embriyonik dokuların tamamı ve plasenta oluşabilir. Pluripotent hücreler embriyonik kök hücrelerdir; dış zar, orta zar ve iç zardan oluşan üç embriyonik tabaka ile germ hücrelerini meydana getirebilirler. Multipotent hücreler erişkin (adult) kök hücrelerdir ve sınırlı sayıda hücre tipi oluşturur; kemik iliği kök hücrelerinden yalnızca kan hücreleri, deri kök hücrelerinden ise epidermis oluşur.

Embriyonik kök hücreler blastula iç hücre kitlesinden elde edilir ve kültürde çoğaltılarak farklılaşmamış durumda saklanabilir. Bu hücrelerden karaciğer, kıkırdak, kemik ve kalp kası gibi birçok doku hücresi elde edilebilmektedir. Erişkin kök hücrelerden ise doku onarımında yararlanılır; kemik iliğinden kök hücre toplanıp yüksek dozda radyasyon veya kemoterapi sonrası hastaya verilerek lösemi ve kalıtsal kan hastalıklarında uygulama yapılır.

Somatik hücrelerin işlevsel olarak değişmeden yeniden programlanarak pluripotent hücre hâline getirilmesiyle elde edilen hücrelere indüklenmiş pluripotent kök hücre (iPS) denir. Bu çalışmanın öncüleri Yamanaka ve Gurdon'dur; Nobel Tıp Ödülü 2012'de bu çalışma için verilmiştir. Yeniden programlamada transkripsiyon faktörleri kullanılır. iPS hücreleri embriyoyu kullanmadığı için embriyonik kök hücrelere ilişkin etik tartışmayı azaltmış, böylece erişkin kök hücrelerle tedavi klinik uygulamaya daha yaklaşmıştır.

Kök hücrelerden oluşan ve kültürde geliştirilen yapılara organoid denir; organoidler doku mimarisini kısmen taklit eder ve hastalık modellemesi ile ilaç geliştirmede kullanılır. Önemli kısıtlar; kaynak hücrenin kontrolsüz çoğalma eğilimi gösterebilmesi, hücrenin farklılaşma sırasında mutasyon biriktirmesi ve uygulamanın pahalı olmasıdır.

Rekombinant Aşılar

Aşı, bağışıklık sistemini bir patojenin antijenine karşı hazırlamak için hazırlanan biyolojik üründür. Geleneksel aşılar canlı attenüe, öldürülmüş (inaktif), toksoit ve subunit (yalnızca antijen içeren protein) aşıları şeklinde hazırlanır. Rekombinant aşılarda ise patojenin tamamı kullanılmaz; patojene ait antijen belirleyen gen bitki, maya, hayvan veya insan hücresine aktarılır. Hücre yabancı geni ifade eder, ürettiği antijen protein elde edilir, saflaştırılıp bağışıklık kazandıracak biçimde aşı olarak kullanılır.

Örnek olarak hepatit B aşısında HBsAg (yüzey antijeni) geni, maya hücresi gibi bir üretim konakçısına aktarılır; maya hücresi antijeni üretir ve antijen protein elde edilir. Maya hücresi seçilmesinin temel nedeni, hastalık yapıcı bir virüs taşımaması ve güvenli bir üretim konakçısı olmasıdır. Rekombinant aşıların avantajı, hastalığa yol açan canlı patojenin üretimde hiç kullanılmamasıdır. Zayıf noktası ise hücre kültürü ve saflaştırma gerektirdiği için maliyetin yüksek olmasıdır.

Aşılama için tasarlanan yapılar arasında DNA aşısı ve viral vektörle verilen aşılar yer alır. DNA aşısında antijen genini taşıyan plazmit doğrudan kasa içine verilir; hücre antijeni kendisi üretir. Bu yöntem araştırma aşamasındadır. Viral vektörde ise hastalık yapmayacak biçimde düzenlenmiş bir virüs, taşıdığı geni hücreye sokar. Adenovirüs ve maymun virüsü bu amaçla incelenmiştir; ancak vektörün taşıdığı antijene karşı bağışıklık gelişmesi aynı vektörün tekrar kullanımını zorlaştırır.

Gen Tedavisi

Gen tedavisi, hastalığa yol açan genin işlevini yerine getirmek için hastanın hedef hücrelerine sağlam bir gen aktarılmasıdır. Gen tedavisi ex vivo yöntemde hastanın hücresi alınır, kültürde gen aktarımı ve düzeltme yapıldıktan sonra hücre geri verilir; in vivo yöntemde ise gen doğrudan vücuda verilir. Klasik örnek, adenozin deaminaz (ADA) enzimi eksikliğine bağlı ağır bir immün yetmezlik tablosunun tedavisidir. Retrovirüs vektörlerinin ters transkriptaz enzimi, taşıdıkları RNA'yı DNA'ya çevirerek genin kromozoma yerleşmesini sağlar.

Gen tedavisinde kullanılan vektörler viral ya da viral olmayan olabilir. Adenovirüs, retrovirüs ve lentivirüs tabanlı vektörler incelenmiştir; lipofeksiyon yöntemi ise viral olmayan seçenektir ve bu yöntemde DNA'yı taşıyan yapılar lipit yapılı veziküllerdir. Uygulamada hedeflenen düzen, hastalık geninin yerine sağlam genin konmasıdır. Başarıyı sınırlayan durumlar; genin yalnızca hedeflenen hücrelere ulaşması, eklenen genin hücrede yeterli ve sürekli ifade edilememesi ve hastanın çok sayıda hücresinin aynı anda değiştirilememesidir.

Kavramları Karşılaştırma Tablosu

Sınav Odaklı Ek Not

Soru tipi 1 - Kromozom hesabı: Diploit hücrede verilen sayı 2n ise ikiye bölerek n bulunur; n verilmişse ikiyle çarpılarak 2n bulunur. Yumurta ve sperm hücresi n ile gösterilir, zigot 2n ile gösterilir.

Soru tipi 2 - Kromatit sorusu: S evresinde kromozom sayısı değişmez, kromatit sayısı iki katına çıkar. Kardeş kromatitler sentromerden ayrılmadan birbirine bağlıdır; sentriyol ise bitki hücresinde bulunmaz.

Soru tipi 3 - Enzim eşleştirme: Kesen enzim restriksiyon endonükleaz, birleştiren enzim DNA ligaz, RNA'yı DNA'ya çeviren enzim ters transkriptazdır. Bu üçünü karıştıran şıklar elenir.

Soru tipi 4 - Kök hücre düzeyi: Plasenta oluşturabilen totipotent, üç tabaka oluşturabilen pluripotent, yalnızca bir hücre grubuna dönüşebilen multipotent hücredir.

Soru tipi 5 - Aşı karşılaştırması: Geleneksel aşılarda patojenin tamamı ya da zayıflatılmış hâli kullanılır; rekombinant aşılarda yalnızca antijen geni aktarılır.

Sık Yapılan Hatalar

Gen tedavisini kalıtsal bir işlem sanmak: Gen tedavisi verilen hücreler genellikle somatik hücrelerdir; yapılan değişiklik sonraki kuşaklara aktarılmaz.

Totipotent ile pluripotent'i karıştırmak: Plasenta oluşturabilen hücre totipotent, yalnızca üç embriyonik tabaka oluşturabilen hücre pluripotenttir.

Miyelom hücresini antikor kaynağı sanmak: Miyelom hücresi sürekli çoğalma yeteneği sağlar, istenen antijen uzmanlığı ise lenfositten gelir.

Kültür ortamındaki karbondioksitin görevini karıştırmak: Karbondioksit enerji sağlamaz; ortamdaki pH'ın kaymasını önleyen tampon görevi görür.

Rekombinant aşıyda canlı patojen bulunduğunu düşünmek: Rekombinant aşıda üretimde hastalık yapıcı canlı organizma hiç kullanılmaz.

Özet ve Kendini Dene

Biyoteknolojinin tıp alanındaki uygulamaları ilaç üretimi, hücre kültürü, monoklonal antikorlar, kök hücreler, rekombinant aşılar ve gen tedavisidir. Rekombinant DNA yönteminde restriksiyon endonükleaz gen parçasını keser, DNA ligaz onu plazmit gibi bir vektöre bağlar ve konakçı hücre ürünü üretir. Hücre kültürü 37 °C ve %5 karbondioksit içeren ortamda yürütülür, pasajlama ile nesiller boyunca çoğaltma sürdürülür. Monoklonal antikorlar hibritoma klonlarından elde edilir. Kök hücreler totipotent, pluripotent ve multipotent düzeylerinde sınıflandırılır; erişkin kök hücreler klinik uygulamada kullanılır. Gen tedavisinde eksik gen işlevi hedeflenir.

Kendini dene: 2n = 46 olan bir hücrenin S evresindeki kromatit sayısını hesapla. Totipotent ve pluripotent hücreleri bir örnekle karşılaştır. Rekombinant aşı ile geleneksel aşı arasındaki temel farkı iki cümleyle yaz.

Ne Öğreneceğiz

İlaç üretimi, hücre kültürü, kök hücre, rekombinant aşı. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Rekombinant DNA yöntemleriyle ilaç üretiminin aşamalarını süreç hâlinde sıralar.
• Hücre kültüründe kullanılan ortam koşullarını ve kavramları açıklar.
• Monoklonal antikor üretimindeki hücre kaynaştırma mantığını yorumlar.
• Totipotent, pluripotent ve multipotent kök hücre düzeylerini karşılaştırır.
• Rekombinant aşı ve gen tedavisi uygulamalarını analiz eder.
• 2n ile n ilişkisini kullanarak kromozom ve kromatit sayılarını hesaplar.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Rekombinant DNA üretiminde geni kesen enzim restriksiyon endonükleaz, vektöre bağlayan enzim DNA ligazdır.
• İnsan genindeki intronlar bakteri tarafından işlenemediği için aktarılan DNA'dan çıkarılır.
• İnsan hücresi kültürü 37 °C ve %5 karbondioksit içeren ortamda yapılır; karbondioksit pH'ı sabitler.
• Kültürde hücrelerin bölünerek türetilen yeni kültürlere aktarılması pasajlama olarak adlandırılır.
• Monoklonal antikor üretiminde miyelom hücresi çoğalma, B lenfosit ise antijen uzmanlığı sağlar.
• Totipotent hücre plasenta oluşturabilir; pluripotent hücre üç embriyonik tabaka oluşturur.
• iPS hücreleri somatik hücrenin yeniden programlanmasıyla elde edilir ve embriyoyu kullanmaz.
• Rekombinant aşılarda canlı patojen kullanılmaz; antijen geni konakçı hücrede ifade ettirilir.
• Gen tedavisi verilen hücreler somatik olduğu için değişiklik sonraki kuşaklara aktarılmaz.

Basit Örnek ve Günlük Yaşam

Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:

Soru: İnsan insülininin biyoteknolojik yöntemle üretilmesinde izlenen temel aşamalar nelerdir?

1. Adım 1: Üretilmek istenen insülin geninin izole edildiğini ve intronlarının çıkarıldığını yaz.
2. Adım 2: Gen parçasını taşıyıcıya bağlayan enzimin DNA ligaz olduğunu belirt.
3. Adım 3: Vektörün bakteri hücresine aktarılıp seçici ortamda çoğaltılacağını ekle.
4. Adım 4: Üretilen proteinin saflaştırılıp kullanıma hazır hâle getirildiğini belirt.

Sonuç/cevap: Genin izole edilip intronlarının çıkarılması, DNA ligaz ile plazmite bağlanması, konakçı hücreye aktarılması, seçici ortamda çoğaltılması ve ürünün saflaştırılmasıdır.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Örnek 1: Rekombinant İlaç Üretiminde Aşamalar konusunun adımları:

1. Adım 1: Üretilmek istenen insülin geninin izole edildiğini ve intronlarının çıkarıldığını yaz.
2. Adım 2: Gen parçasını taşıyıcıya bağlayan enzimin DNA ligaz olduğunu belirt.
3. Adım 3: Vektörün bakteri hücresine aktarılıp seçici ortamda çoğaltılacağını ekle.
4. Adım 4: Üretilen proteinin saflaştırılıp kullanıma hazır hâle getirildiğini belirt.