Kana enjekte edilen ilaçların hastalıklı hücrelere adrese teslim ve nokta atışı ulaştığı zamanların eşiğindeyiz. Bizleri gereksiz bıçakaltı işlemlerden ve ilaçların yan etkilerinden koruyacak, bakteri ve nano robotların insanların iyiliği için işbirliği yaptıkları tıbbi yöntemleri inceleyeceğiz.
Askerleri küçültüp mikro boyutlara getirebilecek teknolojinin sırrına sahip bilim adamı Jan Benes, CIA ajanlarının yardımıyla SSCB’den kaçar. Ancak bu esnada profesörü Amerika’ya götüren konvoy KGB ajanları tarafında saldırıya uğrar. Kafasına darbe alan Benes’nin beyninde ne yazık ki bir pıhtı oluşur. Bir grup bilim adamı ve teçhizatlı askerler Benes’nin beynindeki tıkanıklığı açmak için küçültülerek profesörün beynine doğru yola çıkarlar. Bu görevi başarıp tekrar eski boyutlarına dönmek için sadece bir saatleri vardır. Bir bilim kurgu filmi olan Olağanüstü Yolculuk’un (Fantastic Voyage), minik bir geminin insan vücudundaki hastalıklarla savaşmasının kurgulandığı 1966 yapımlı senaryosunu okudunuz.
Bundan neredeyse 40 yıl sonra Kanada’nın Montréal Politeknik Üniversitesi araştırmacıları aynı hedefe ulaşmak için kolları sıvadılar. Bu tarz bir gemi yaratmak için 70li ve 80li yılların klişe bilim kurgu teknolojisi olan küçültücü lazer ışınlarını kullanmadılar. İzledikleri yöntem nanoteknoloji sayesinde ürettikleri mikroskopik (bir saç telinden çok daha ince) aletleri damarlarımız içerisine vererek, doğrudan hastalığın merkezine yönlendirme üzerine kurulu. Bu sıradışı yöntemle ilaçların kanserli dokulara adrese teslim gönderilmesi ve böylece sağlıklı hücrelerin bundan zarar görmemesi mümkün. Ayrıca ameliyatsız, kesiksiz ve kansız bir işlem. Özellikle kanser tedavisi başta olmak üzere, neredeyse tüm tıbbi yöntemleri kökten değiştirebilecek olan bu yaklaşımın 2008’den 2012 yılına kadar gelişimine göz atacağız.
Makaledeki tüm gelişmelerin arkasında yatan beyin Kanada Montréal Politeknik Üniversitesi bilgisayar mühendisliği profesörü Sylvain Martel. Martel’in araştırmalarının temelinde yatan teknik aslında basit bir nakliyat işini andırıyor. Damarlarımızdaki kan içerisinde rahatça dolaşan bir bakteri kirala, ilaçları bakteriye yükle, hastalığın adresini ver ve nakliyat sonlandığında bakteriyle işin bitsin. Ancak ne yazık ki bakteriler kredi kartı kabul etmiyorlar.
Bu yüzden Profesör Martel, oldukça sıradışı bir fikir geliştiriyor. Kanda yüzebilen, canlı bakterileri alarak onlara mikroskopik boncuklar ekliyor. Bu boncuklar yük taşımak için ideal boyutlarda. Bu sayede bakterileri birer kamyonete çeviriyor. Martel’den önce de bu fikir vardı, ancak diğer bilim insanları bu bakterilerin kendi kendilerine yüzme özelliklerinden faydalanmaya çalışıyorlardı. Martel’in sıradışı fikri ise, bu minik kamyonları manyetik rezonans görüntüleme (MRI) yardımıyla kendi kontrolüyle sürüyor olmasıydı. Bunun için Martel doğal halinde manyetik zerreler (tanecikler) barındıran bakteriler kullanmayı düşündü. Doğada bu zerreler bakterilerin derin sularda oksijenden uzaklaşacakları şekilde ilerlemelerine yardımcı oluyorlar. Aynen bir pusulanın iğnesinin doğrultusunu kullanma prensibimiz gibi. İşte bu noktada MRI aleti devreye giriyor. MRI ile yaratılacak yapay manyetik alan sayesinde bu bakterilerin istenilen doğrultuda ilerlemesi sağlanıyor. Bu sebeple Martel bu bakterilerini nanobot olarak nitelendiriyor.
Bahsi geçen bakteriler flagella adındaki kuyruklara sahip ve hızlı bir şekilde kan içerisinde yüzebiliyorlar. Her bir bakteri iki mikron çapında olduğundan insan vücudundaki en küçük damara bile rahatça sığabiliyor. 2008 yılında 150 nanometre büyüklüğünde olan bu römork boncuklarıyla ilk olarak antikor hücreleri taşımak üzere tasarlandı. Doğadan esinlenmekten de öte, doğayı kullanan bu yöntemde temel amaçlardan biri de boncuk hacminin büyütülmesi. Bu boncukların boyutlarının büyümesi daha çok madde taşınabilmesi anlamına geliyor. Yani kamyondan, tıra geçiş yapmak gibi. Sonuç: Deneylerde saniyede 10 santimetre ilerleyen bakterilerle, bir domuzun şahdamarında 1.5 milimetrelik bir boncuğu taşıtmayı başardı [1].
Bu bakterilerin bir dezavantajı, geniş damarlarda kendi başlarına yüzemiyor oluşları. Debiye karşı koyabilecek kadar kuvvetli değiller. Bu yüzden araştırmacılar bakterileri de içinde taşıyacak büyüklükte manyetik olarak kontrol edilebilen bir aracı hastalıklı bölgeye kadar taşımayı önerdiler. Bir çeşit polimerden yapılan bu araç bakterileri salıverdikten sonra kanda çözünüyor. İçerdiği nano taneciklerle kontrol edilebilen bu araç saniyede yaklaşık 200 mikron hızla ilerleyebiliyor ve saniyede 30 defa yönü değiştirilebiliyor [2].
Bu araştırmaya gelen eleştiriler kanda çözünen manyetik partiküllerin nasıl kandan uzaklaştırılacakları ve bakterilerin hedefe ulaşmadan vücudun bağışıklık sistemi tarafından yok edilip edilmeyeceği üzerine. Ancak Mantel deneylerde çıkan sorunçların bu tarz bir durumu yansıtmadığı ve bakterilerin bağışıklık sistemi tarafından zaten henüz tanınmadığı için nanobotların rahatlıkla hedefe ulaşacak kadar vakitleri olduğu yönünde görüş bildiriyor.
Bakteriler illa gerekli mi?
Peki ama bu nanobotlar neden bakterilere ihtiyaç duyuyor? Neden bilim insanları kendi pervanelerine sahip robotlarla antikorları veya ilaçları hasta bölgelere taşıyacak bir düzenek tasarlamıyorlar? Aslında bu mümkün. Bu tarz robotlar zaten tasarlanmış durumda. Ancak sorun bu robotlara gerekli olan gücü sağlayacak bir düzeneğin (örn:pil) henüz keşfedilmemiş olması. Ayrıca, büyük çaplı sistemlerde (örn: denizaltı, gemi) etkin olan tahrik sistemleri ve yüzme hareketlerinin mikro çaplı sistemlerde çok daha karmaşık olması. Bu sebeple robotları kontrol etmek oldukça güçleşiyor. İşte bu yüzden işinin ehli olan ve milyonlarca yıldır en iyi bildiği işi yapan bakteriler kullanılıyor. Seçilen bakteri, MC-1 adı verilen, dönen kırbaçımsı kuyruğu sayesinde çoğu türden 10 kat daha hızlı yüzebilen, ve saniyede 200 mikrometre hızlara çıkabilen bir bakteri.
Aynı grubun 2009 yılında sıçanlar üzerinde yaptığı deneylerde 50 mikrolitrelik bakteri içeren bir çözeltiyi enjekte ettiklerini ve ne bakterilerin hayvanlara zarar verdiğini, ne de bakterilerin genel olarak zarar gördüğü gözlenmiş. Zehirlenmeye sebebiyet vermeden yaklaşık 40 dakika sonra kan içerisinde öldükleri ve daha sonra da bağışıklık sistemi tarafından temizlendiği belirtilmiş [3].
Bakterileri robota dönüştürmek
2010 yılında aynı araştırma ekibi bu sefer akıllara zarar bir demonstrasyona imza atıyorlar. Bakterileri mikro-manipülasyon işleri için kullanıp mikro-robotları sürmelerini sağlıyorlar. Bu deneyin sonunda bize göstermek istedikleri şey, bu bakterilerin sadece basit nakliyat işleri için kullanmak zorunda olmadıkları. Eğer doğru şekilde kontrol edilebilirlerse, ilaç taşımanın yanında patojenleri algılamakta, farmakolojik ve genetik testleri bulundukları yerde ifşa edebilecek mikro laboratuvarlar inşa etmekte bakterileri kullanmanın mümkün olabileceğini kanıtlamak istiyorlar. Bunun için de bakterilere Mısır’daki Djoser piramidini örnek alan bir mikro-piramit inşa ettiriyorlar. 5000 bakterisinin bir sürü halinde çalıştıkları ve sadece minik epoksi tuğlalar kullarak 15 dakikada bir piramit oluşturdukları videoyu aşağıda seyredebilirsiniz [4]:
Her bir bakteri 4 pikoNewtonluk kuvvet uygulayabilecek kuyruk organellerine sahip. Tek başına küçük olmasına karşın 5000 tanesini birlikte çalıştırdığınız zaman bir piramit yaptırabiliyorsunuz.
Hayvanlar üzerindeki ilk klinik deneyler
2011 yılının başında Mantel ve ekibi, hazırladıkları tüm sistemi gerçek anlamda ilk kez bir canlıda denediler, tek bir farkla bu kez bakterileri es geçtiler. MRI kullanarak yönlendirdikleri bir mikro taşıyıcı sistemi karaciğerinde tümör olan bir tavşana doxorubicin adlı bir kemoterapi ilacı taşımak için kullandılar. Bu taşıyıcı sistem iddia edildiği gibi vücut içerisinde yok olacak cinste bir polimerden üretilmişti. Polimerin tasarımı, farklı hızlarda çözünecek şekilde yapılmıştı, böylece yeterli dozda ilaç iletimi sağlanıyordu. Her bir taşıyıcının yüzde otuzu manyetik nano taneciklerken kalan yüzde yetmişi ilaçtı. Mantel sadece kemoterapi değil, radyoterapi ilaçları olan radyoaktif maddelerin de iletiminin mümkün olduğunu belirtti [5].
Bazı kan damarları “Y” şeklinde çatallandıklarından geleneksel ilaç iletim sistemlerinin yaklaşık yüzde 50 ihtimalle tümörlü dokunun olduğu yöne, yüzde 50 ihtimalle de karaciğerin alakasız bir bölgesine gidip yan etkiye sebebiyet veriyorlar. İşte Mantel’in bu sistemi manyetik kontrolü sayesinde hiçbir çatallanmadan etkilenmeyecek bir özelliğe sahip olduğu için fark yaratıyor. Ayrıca hiçbir kan damarına zarar vermiyor. Geleneksel kemoterapide kateter (sonda) ile yapılan bir ilaç sevkiyatı, kateterin tümöre çok yaklaşıncaya kadar karaciğerin dibine kadar sokulması ve bu sırada da tabii ki bir çok damara zarar verilmesi anlamına geliyor. Bu sebeple de hastalar günlerce, hatta haftalarca damarlarının iyileşmesini bekliyorlar ki, yeni bir doz daha alabilsinler. Ancak manyetik mikrotaşıyıcı robotlar kullanıldığında, sondanın damarlara bu kadar yakınlaşmasına gerek kalmıyor. Zarar görmeyen damarlar sayesinde de hasta arka arkaya günler içerisinde birçok dozu az az ancak hızlı bir şekilde alabiliyor. Bu şekilde de kimyasal zehirlenmelerin önüne geçiliyor.
Ekip, 2011 yılının sonunda tekrar bakterili nanobot sisteminin testlerine yöneldi. Ancak Mantel’in görüşüne göre bu metodlar her ne kadar hayvanlar üzerinde etkili olsa da pratik hayatımızdaki uygulamalarından 4-7 yıl uzaktayız.
Not: Konuyla ilgili daha fazla bilgi sahibi olmak isteyenlere Sylvian Mantel’in İngilizce altyazılı Fransızca bir TEDx sunumunu seyretmelerini öneriyorum.
[1] Sylvain Martel, Jean-Baptiste Mathieu, Ouajdi Felfoul, Arnaud Chanu, Eric Aboussouan, Samer Tamaz1, Pierre Pouponneau, L’Hocine Yahia, Gilles Beaudoin, Gilles Soulez and Martin Mankiewicz Automatic navigation of an untethered device in the artery of a living animal using a conventional clinical magnetic resonance imaging system Appl. Phys. Lett. 90, 114105 (2007); http://dx.doi.org/10.1063/1.2713229
[2] http://www.technologyreview.com/computing/21619/?a=f
[3] http://www.newscientist.com/article/dn17071-bacteria-take-fantastic-voyage-through-bloodstream.html
[4] Sylvain Martel, Mahmood Mohammadi: A robotic micro-assembly process inspired by the construction of the ancient pyramids and relying on several thousand flagellated bacteria acting as micro-workers. Intelligent Robots and Systems, pp 426-427, 2009.
[5] http://www.healthimaginghub.com/feature-articles/digital-radiography/2945
[6] Sylvain Martel Flagellated Magnetotactic Bacteria as Controlled MRI-trackable Propulsion and Steering Systems for Medical Nanorobots Operating in the Human Microvasculature doi: 10.1177/0278364908100924 The International Journal of Robotics Research April 2009 vol. 28 no. 4 571-582
Kanser tedavisi için bağışıklık sistemi üzerinden geliştirilen veya bağışıklık sistemini uyararak tedavi sağlamayı hedefleyen immünoterapiler kısmen başarılı sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Bunu sağlayan şey de; tümör mikro-çevresindeki bağışıklık hücrelerini baskılayıcı etkinin bir biçimde önüne geçilmesidir.
Bilim insanları, idrar örneğindeki değişiklikleri tespit etmek için ışın demetleri kullanan silikon fotonik bir biyosensör geliştirdiler. Kanser gibi yayılan hastalıkların erken aşamalarında yerini saptamak, onların üstesinden gelme ve kontrolünü sağlamada çok büyük farklar yaratabilir. Singapur’daki bilimadamları bunu yapabilmek için ‘yerinde teşhis’ sağlayan yeni bir biyosensör geliştirdiler.
