pH Değişikliklerini Gösteren Yeni Biyosensör: Zimonik Asit

Tümörler, iltihaplanmalar ve dolaşım bozuklukları vücudun asit-baz dengesinde bölgesel olarak değişikliklere/bozulmalara neden olabilir. pH değerindeki değişimlerden faydalanılarak, örneğin kanser tedavilerinin başarıları doğrulanabilir. Ancak bugüne kadar bu değişikliği görüntüleyebilecek herhangi bir yöntem bulunmamaktaydı. Münih Teknik Üniversitesi’ nden (TUM) bu konu üzerinde çalışan bir ekip, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) yoluyla görünür pH değerlerini non-invaziv, ışınımsız bir şekilde gösteren bir pH sensörü geliştirdi. Dört yıl önce Münih Teknik Üniversitesi’ nden fizikçi Dr. Franz Schilling, tümör hücreleriyle yapılan bir manyetik rezonans deneyi sırasında pH değişimlerine karşı oldukça duyarlı bir molekülün sinyallerini bulmuştur. Sonraki araştırmalarda zimonik asit olarak tanımlanan molekül, tıbbi görüntülemenin geleceğinde önemli bir rol oynayacağı düşünülmektedir. pH değerleri için bir biyosensör olarak, geçmişte olanaksız olan vücuda iç görü sağlayabilir. Franz Schilling, ‘Uygun bir pH görüntüleme yöntemi ile dokulardaki anormal değişiklikleri ve özellikle tümörlerin metabolik süreçlerini görselleştirmenin mümkün olacağı’ şeklinde bir açıklama yapmıştır. Tümörleri çevreleyen alanlar ve iltihaplanan bölgeler, çevrelerindeki sağlıklı dokulara göre daha az asidiktir; bu durum tümörlerin agresifliğine bağlıdır. Schiling bir diğer açıklamasında ‘Başarıyla tedavi edilen bir tümör, küçülmeye başlamadan önce bile, metabolizması dolayısıyla çevredeki pH değerinde değişim gözlenebilir. Uygun bir pH görüntüleme yöntemi ile daha doğru bir aşamada, doğru yaklaşımın seçilip seçilmediğini gösterecektir.’ demiştir. Schilling şu anda Münih Teknik Üniversitesi’ nde Klinik ve Poliklinik Nükleer Tıp için Klinik Öncesi Görüntüleme ve Tıbbi Fizik çalışma grubunun direktörlüğünü yapıyor. Geçmiş yıllarda Fizik, Kimya ve Tıp bölümlerinden meslektaşları ile biyosensör olarak zimonik asit araştırması yapmaya başlamışlardır. Nature Communications dergisinde ekip, küçük hayvanların cesetlerinde pH değerlerinin güvenilir şekilde temsil etmek için nasıl kullanılabileceğini anlatılmaktadır.

Zaman kısıtlamaları ile MRI-Görüntüleme

Zimonik asit kullanılarak pH değerlerini görünür hale getirmek için molekül vücuda enjekte edilir ve daha sonra nesne dokusundan bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) incelemesi yapılır. Çok basit bir şekilde: Güçlü bir manyetik alanda, radyo dalgalar zimonik asitin salınımda olan nükleer spinlerini uyarır. Çekirdeklerin reaksiyonları daha sonra kaydedilir. Bu veri, çekirdeğin moleküler çevrenin kimyasal özellikleri hakkında bilgi veren frekans spektrumlarını hesaplamak için kullanılır. Sonuçta, dokudaki herhangi bir tedavi yerindeki pH değeri, zimonik asitteki pH’ a bağlı moleküler değişikliklere dayanarak temsil edilebilir. MRI görüntülerinde zimonik asidin görünebilmesi için, zimonik asidin karbon 13 ile işaretlenmesi gerekmektedir. Böylece moleküllerin ‘normal’ karbon 12 atomları yerine karbon atomları (13C) içerdiği anlamına gelmektedir. Ancak, bu şekilde işaretlenmiş zimonik asit ölçülebilir değildir; MRI sinyali çok zayıftır. Araştırmanın fizikçi ve ilk yazarı Stephan Düwel, ‘Bu nedenle nispeten yeni bir yöntem olan hiperpolarizasyon kullanıyoruz.’ diye açıklıyor. ‘Elektron polarizasyonunu çok düşük sıcaklıklarda mikrodalga fırını kullanarak 13C atom çekirdeğine aktarmak için özel bir cihaz kullanıyoruz, sonuçta 100.000 kat daha güçlü bir MRI sinyali elde ediliyor.’ demiştir. Daha sonra sıcak bir sıvı, zimonik asidi oda sıcaklığına hızla geri döndürmek için kullanılır.
Bundan sonra bilim adamlarının çok çabuk davranmaları gerekmektedir. Biyosensör organizmaya intravenöz olarak enjekte edilir, daha sonra MRI taraması derhal yapılmalıdır: Hiperpolarizasyondan elde edilen sinyal artırma etkisinin tekrar aşınması yalnızca 60 saniye alır. Düwel, ‘Şu anda bu kısa zaman dilimini genişletmek için çalışıyoruz.’ diyor. Biyokimyacı Christian Hundshammer, ‘Bir taraftan zimonik asidin MRI özelliklerini moleküle uygun modifikasyonlar ile iyileştirmeye çalışıyoruz; diğer bir yandan pH’ a duyarlı molekülleri arıyoruz.’ diye açıklamalarda bulunuyor.

Diğer yaklaşımlara kıyasla avantajları 

Franz Schilling ve ekibi, yöntemlerinin organizmada tıbben ilgili pH değer değişikliklerini temsil edecek kadar hassas olduğunu göstermeyi başardı. Zimonik asit kullanılarak pH değerini hücre zarı dışına spesifik olarak araştırmak mümkündür: Diğer biyolojik sensörlerle ölçülen değişikliklerin hücrenin içinde veya dışında (hücre içi veya hücre dışı) gerçekleşip gerçekleşmediği çoğunlukla net değildir. Bu önemli bir bilgidir çünkü metabolizma değişiklikleri hücre dışı değer üzerinde çok daha büyük bir etkiye sahiptir, ancak hücre içi değer genellikle kararlıdır. Dokunun şeffaflığı düşük olması nedeniyle vücuda yüzeysel nüfuz etme ile sınırlı optik yöntemlerin aksine, MRI için penetrasyon derinliğinde herhangi bir sınırlama yoktur. Ayrıca, zimonik asidin küçük hayvanlarla kullanılan konsantrasyonlarda zehirli olmadığı ve vücutta bulunan metabolit piruvik asitin bir yan ürünü olarak düşük konsantrasyonlarda oluşturulduğu da gösterilmiştir. ‘Zymonik asidin hasta uygulamaları için son derece umut vaat eden bir biyo-sensör olduğuna inanıyoruz.’ diyor Franz Schilling.

Kaynak : phys.org

Author

İnovatif Kimya Dergisi aylık olarak çıkan bir e-dergidir. Kimya ve Kimya Sektörü ile ilgili yazılar yazılmaktadır.