Rejeneratif biyoloji ve rejeneratif tıp günümüzde hızla gelişen ve vaad ettiği gelecek açısından son derece ilgi duyulan bir araştırma alanı haline gelmiştir. Bu alanlardaki gelişmeler doğrultusunda günümüzdeki uygulamalarla tedavi edilemeyen organ veya doku yaralanmaları ve çeşitli hastalıkların tedavisi gündeme gelmiştir. Hücre tedavisinin temel amacı hastalık veya yaralanma sonucu kaybedilen doku veya organ işlevinin nakledilen sağlıklı hücreler ile tekrar sağlanmasıdır.

Vücudumuzdaki kas, karaciğer, cilt hücreleri gibi hücrelerin hedefleri bellidir ve bu hücreler bölündükleri zaman yine kendileri gibi bir hücre oluştururlar. Oysa kök hücrelerin bu hücrelerden farklı olarak belirlenmiş bir fonksiyonları yoktur. Bu yüzden aldıkları sinyallere göre farklı hücre tiplerine dönüşebilirler. Bunu belirleyen en önemli etkenler genler ve dış uyaranlardır. Vücudumuzdaki herhangi bir hücre grubunda ölüm ya da hasar meydana gelince kök hücreler hangi hücreye ihtiyaç varsa o hücreye farklılaşırlar (Şekil 1).

Şekil 1. Kök hücreler hangi hücreye ihtiyaç varsa o hücreye farklılaşırlar.

Kök hücreler günümüzde başta kanser olmak üzere bilinen birçok hastalığın ve yaralanma sonucu olan organ ve doku kayıplarının tedavisinde kullanılmaktadır. Giderek gelişen kök hücre teknolojisi bu hücrelerin ileride daha kapsamlı olarak kullanılabileceği düşündürmektedir.

Kök Hücre Nedir?

Kök hücre, henüz işlevsel olarak farklılaşmamış, ancak uygun büyüme ortamına yerleşebilen, çoğalma yeteneği olan, çok sayıda farklılaşmış ve devam niteliğinde hücreler üretebilen, kendini yenileyebilen veya kendi popülasyonunun devamlılığını sağlayabilen, zedelenmeyi izleyerek işlevsel dokuyu tamir edebilen (tekrar oluşturabilen) hücrelerdir. Bu özellikleri nedeniyle kök hücreler, kültürde asimetrik bir çoğalma tipi gösterirler. Yukarıda özetlenen geniş tanımlamaya dâhil olduğu halde birbirinden çok farklı kök hücre tipleri bulunmaktadır.

Şekil 2. Farklı kök hücre tipleri

Kök hücreler vücutta bulundukları yere göre başlıca embriyonik kök hücreler (EKH) ve erişkin kök hücreler olarak iki ana sınıfa ayrılır. Farklılaşma ve gelişme potansiyellerine göre ise kök hücreler totipotent, pluripotent, multipotent, oligopotent veya unipotent olabilirler (Şekil 3).

Şekil 3. Kök hücre sınıflandırması

Kök hücre terimi organizmanın tüm hücrelerinin köken aldığı, farklı hücre tiplerine dönüşebilme potansiyeline sahip, kendini yenileyebilme ve klon oluşturma özelliklerine sahip farklı yapı ve gelişim sürecindeki hücreleri kapsar.

Sperm ve yumurtanın birleşmesi ile ortaya çıkan zigot tek başına tüm organizmayı ortaya çıkarabilecek genetik bilgiye sahiptir. İşte bu tüm hücrelere dönüşme potansiyeline sahip ilk embriyonik hücreye “totipotent” hücre adı verilir. Totipotent hücreler embriyonik ve ekstraembriyonik tabakaları oluşturabilme potansiyaline sahiptir. Yaklaşık 5‐6 gün sonrasında oluşan 64‐200 kadar hücreden oluşan hücre kitlesine blastosist denir. Blastosist içindeki hücreler vücuttaki tüm hücrelere farklılaşabilse de tek başlarına bir organizmayı oluşturamazlar, bu nedenle “pluripotent” embriyonik kök hücreler olarak adlandırılırlar. Pluripotent kök hücreler blastosist aşamasındaki iç hücrelerden elde edilebilir ve tüm germ tabakalarını (endoderm, mezoderm ve ektoderm) oluşturabilir. Biraz daha özelleşmiş kök hücreler ”erişkin kök hücrelerini” oluştururlar, kaynaklandıkları dokuya ait hücreye farklılaşma yeteneği gösterirler. Mezenkimal kök hücre (MKH), hematopoietik kök hücre (HKH), nöronal kök hücre ve intestinal kök hücre “multipotent” erişkin kök hücrelerine örnek olarak gösterilebilirler. Her üç germ tabakasının türevlerine farklılaşamadıkları için pluripotent değildirler. Birkaç hücre tipine farklılaşabilen kök hücreler “oligopotent”, tek bir hücre tipine farklılaşabilen kök hücreler ise “unipotent” olarak adlandırılırlar (örnek: kas lifi çevresindeki satellit hücreler, epidermisi yenileyen kök hücreler). Unipotent olanları kök hücre olarak isimlendirmek yerine onları öncü (progenitör, prokürsör) hücre olarak değerlendirenler de vardır.

Embriyonik gelişimin ilerleyen dönemlerinde hücreler, uterus duvarına implante olana kadar pluripotent (yaklaşık 200 farklı tipte hücreye farklılaşabilme); implantasyondan sonra ise multipotent (üç germ tabakasına ait hücrelerden bazılarına farklılaşabilme) özellik kazanırlar. Bu multipotent hücreler, gelişimin ilerleyen dönemlerinde (fötal, prenatal, postnatal, çocukluk, yetişkinlik, v.b.), gerektiğinde çoğalıp farklılaşmak üzere, çeşitli dokularda (kemik iliği, yağ, kas, v.b.) varlıklarını devam ettirirler.

Kök hücreler embriyonik dönemde doku ve organların gelişmesini sağlarken daha ileri evrelerde doku ve organların korunması, yenilenmesi ve onarımında önemli rol oynarlar. Birçok doku için bu süreç hızlı ve kesintisizdir. Örneğin kan hücreleri sürekli kemik iliğinde bulunan hematopoietik kök hücrelerden farklılaşıp olgunlaşırken, bağırsak epitel hücreleri 3‐4 günde bir kriptalarda yer alan bağırsak kök hücrelerinden yenilenir. Hücrede kendini yenileme hücrenin eskiyen kısmını onarma değil, kök hücre havuzunun yenilenmesi demektir. Kök hücreler gereken durumlarda geometrik olarak çoğalan geçici hücreleri oluştururlar. Kök hücrenin ilk asimetrik bölünmesi sonucunda hücrelerden birisi tekrar kök hücre havuzuna dönerek kök hücre havuzunun sayıca azalmasını engeller. Kök hücreler asimetrik olarak bölünürken sadece sitoplazma ve hücre zarı asimetrisi değil, bölünen DNA yapısında da asimetri gelişir (Şekil 4). Çeşitli deneylerde kök hücrelerin kromozomlarının sentromer bölgelerinde yer alan bazı moleküler etiketlerin (immortal DNA kalıbı) bölünme sonucunda sadece yavru hücrelerden birisine aktarıldığı ve bu hücrenin kök hücre havuzunda kalacak olan kök hücre olduğu gözlemlenmiştir.

Şekil 4. Kök hücrelerin kendini yenilemesi, çoğalması ve farklılaşması. Kök hücreler simetrik veya asimetrik bölünmelerle bölünebilir. (A) Simetrik bölünme, ana hücreyle aynı veya farklı olabilen, ana hücreye kıyasla daha kısıtlı bir potansiyele sahip iki özdeş hücre üretir. Ana kök hücreye özdeş iki kök hücrenin üretimi, kök hücre popülasyonunun korunmasına izin verirken, iki bağlantılı yavru hücrenin üretimi, terminal olarak farklılaşmış ve fonksiyonel hücrelerin oluşumuna kadar bunların proliferasyonuna ve farklılaşmasına yol açacaktır. (B) Asimetrik bölünme, ana hücreye özdeş bir yavru hücrenin ve daha sınırlı potansiyele sahip ikinci bir hücrenin oluşumuna yol açar.

Kök hücreler dokularda az sayıda bulunurlar, yaşam boyu sınırsız bölünürler. Genellikle bölünme hızları yavaştır ancak doku kaybı gibi durumlarda bölünme hızlarını en az iki katına çıkartırlar. Kök hücreler dokulardaki en uzun ömürlü ve kalıcı hücrelerdir ancak organizma yaşlanınca sayıları azalır, belli sayıdaki mitoz sonunda yaşlanıp ölürler. Kök hücrelerin klon oluşturma yetenekleri sayesinde tek bir kök hücreden çok sayıda yeni kök hücre üretilir.

Kök hücrelerin karakterlerinin belirlenmesinde hücredeki kromatin modifikasyonları ve epigenetik değişimler çok önemlidir. Kök hücreler hücre içi düzenleyici mekanizmalar ve mikroçevreden (niş) aldıkları sinyallerle dinlenme evresinde kalabilir, kendini yenileyebilir ve farklılaşma gösterebilir. Kök hücrelerin bu işlevlerinin sinyal iletim yolakları, transkripsiyon faktörleri, hücre döngüsü düzenleyicileri ve miRNA’lar üzerinden kontrol edildiği gösterilmiştir. Kök hücrelerin farklılaşmasında ve kendini yenilemesinde LIF‐STAT, MAP‐ERK, PI3K ve Wnt gibi sinyal iletim yolakları rol oynar. Kök hücrelerin farklılaşma sürecindeki hücre içi mekanizmalar arasında miRNAlar ve Oct4, Sox2, Nanog gibi transkripsiyon faktörleri sayılabilir. Halen kök hücrelerin bölünme ile dinlenme arasındaki karar mekanizmaları, hangi koşullarda birden fazla hücre tipine farklılaşabildikleri, farklılaşma yönünü etkileyen unsurlar ve bunların moleküler mekanizmaları net olarak açıklanamamaktadır.

Kök hücrelerde farklılaşma her zaman ileri değil, geriye doğru da olabilir, kök hücrenin plastisitesi söz konusudur. Bir kök hücre köken aldığı dokunun dışında farklı bir dokuya farklılaşabilmektedir. Örneğin, ektoderm kökenli olan bir kök hücrenin in vivo ve/veya in vitro ortamda endoderm veya mezoderm kökenli hücrelere farklılaştığının gösterilmesi bu hücrelerdeki plastisitesiyi gösterir (Şekil 5). Plastisitenin varlığından söz etmek için değişen hücrenin orijinal kökeni çeşitli hücre belirteçleri ile gösterilmiş olmalı, bulunduğu dokunun morfolojik özelliklerini taşıdığı anlaşılmalı ve bulunduğu doku ya da organın fonksiyonlarına sahip olmalıdır. Bir hücredeki DNA ifadesinin yeniden programlanabilmesi ve hücre içi ve dışındaki sinyallerin doğru kullanılabilmesiyle bir kök hücre başka bir kök hücreye farklılaştırılabilir, bu da tedavi için klinikte kullanılabilir.

Şekil 5. Kök hücre plastisitesi