Mikroakışkan sistemde düzensiz akış durumunda endotel ve monosit hücre davranışlarının incelenmesi

Hücreler, çevreleri tarafından uygulanan mekanik kuvvetleri algılama ve bu kuvvetlere yanıt verme yeteneğine sahiptir. Fiziksel uyaranların algılanmasının ardından sinyal, mekanotransdüksiyon adı verilen bir süreç ile hücre içine iletilerek biyolojik aktiviteye çevirilir. Mekanik sinyaller biyokimyasal sinyaller ile birleşerek bir hücre içinde birçok yanıt oluşturur. Mekanik işaretlere karşı birçok hücrenin verdiği ortak yanıtlar ile oluşan regulasyonlar önemli doku fonksiyonlarını gerçekleştirmektedir. Mekanik kuvvetlerin fizyolojik düzenindeki bozukluklar anormal hücre davranışlarına ve hastalığa sebebiyet verebilir. Özellikle kan damarlarının işleyişi mekanik uyarılma yolu ile düzenlenmektedir. Atardamar, toplardamar ve kılcal damarların iç yüzeyini kaplayan endotel hücreler kan akışı sonucu oluşan hemodinamik kuvvetler nedeniyle devamlı olarak gerilmeye maruz kalmaktadır. Endotel hücrelerin aldığı mekanik sinyallerde sıklıkla değişimler meydana gelmektedir. Endotel tabakası, kan akışı ve altta bulunan vasküler doku arasında bir köprü ve bir bariyer işlevi görür. Buna bağlı olarak endoteldeki mekanik sinyalleşme, çoğunlukla nitrik oksit üretimi ile damar genişliğinin regulasyonu üzerinden damar sürekliliğini sağlamaktadır. Endotel hücrelere etkiyen mekanik kuvvetler arasında en çok çalışılan kuvvet, akışın sebep olduğu paralel sürtünme kuvveti olan kayma gerilmesidir. Kayma gerilmesi üzerine yapılan çalışmalar, bu kuvvetin endotel bariyerini düzenlemede ve vasküler hastalıkları önlemede başlıca bir rolü olduğunu göstermiştir. Hemodinamik kayma gerilmelerinin düzeni, damar hasarında ya da çatal yerleri ve kıvrılma noktaları gibi dallanma görülen damar geometrilerinde bozulmaktadır. Laminer kan akışı dallanma noktalarında düzensizleşmekte ve salınımlı ya da geriye dönük ikincil akışlara ayrılmaktadır. Bu durum dallanma bölgelerinde düşük kayma gerilmesi bölgeleri oluşturmaktadır. Mekanobiyoloji, mekanik kuvvetlerin hücre fonksiyonlarını nasıl etkilediğini araştıran disiplindir. Üç boyutlu damar mikroçevresini ve sıvı akışını oluşturmak gerektiği için vasküler mekanobiyolojiyi çalışmak özellikle zorlayıcı bir hale gelmektedir. Bu şekilde bir ortam oluşturabilmek için günümüzde mikroakışkan kanallar kullanılmaktadır. Özgün kanal geometrilerine sahip mikro boyutlu cihazlarda endotel hücrelerin kültürünün yapılması ile kontrollü kayma gerilmesi ortamında hücre davranışları çalışılabilmektedir. Arterlerde plak oluşumu hastalığı olan ateroskleroz, bölgesel kayma gerilmesi değişimleri ile ilişkilendirilen yaygın bir hastalık olduğu için bu alanda dikkat çeken bir araştırma konusu olmuştur. Hücre iskeleti mekanotransdüksiyon sürecinin merkezinde bulunur. Hücre iskeletinin bileşenleri birbirleriyle ve hücre zarı proteinleri ile bağlantılıdır ve bu sayede gerilme kuvvetlerinin dengesini ve iletimini sağlamaktadır. Kayma gerilmesi kuvveti ilk olarak hücre yüzeyinde deformasyon oluşturur ve membran iyon kanallarını aktifleştirir. Hücre iskeleti, sinyalin ikincil mesajcılar aracılığıyla iletimine yardımcı olur. Ardından, mesaj biyokimyasal aktiviteye çevirilerek hücrenin uzak bölgelerine iletilir ve bu süreçte sinyal yolaklarını aktifleştirerek gen transkripsiyonunu veya hücrenin adezyon etkileşimlerini düzenler. Laminar kayma gerilmesine maruz kalan endotel hücreleri akış yönünde uzama ve hizalanma davranışı gösterir. Düşük kayma gerilmesinin bir endotel hücre adezyon molekülü olan ICAM-1 (hücreler arası adezyon molekülü-1) ifadesinde artışa neden olduğu ve bu sayede endotel tabakasının lökositlere karşı geçirgenliğini arttırdığı gösterilmiştir. İnsan aortalarında yapılan çalışmalar ise kayma gerilmesinde düzensizlik gösteren damar çatallarının dış duvarlarının endotel tabakasında fazlaca monosit birikmesi olduğunu göstermiştir. Monositler bakteri, virüs ve zararlı metabolitlerin uzaklaştırılması görevini üstlenen fagositik doğal bağışıklık hücreleridir. Kanda dolaşım halinde bulunan monositler, homeostazi ya da enflamasyonda görev almak üzere diyapedez ile dokulara geçerek temelde makrofaja farklılaşır ve fagositoz ve antijen sunumu işlevlerini gerçekleştirirler. Ateroskleroz gibi doku hasarına neden olan uzun süreli enflamasyonlarda monositler merkezi bir rol oynamaktadır. Ateroskleroz, endotel hasarına karşı yağ yüklü plak oluşumu ile karakterize edilen bir kronik enflamatuar yanıttır. Aterosklerotik plakların gelişimi ve ileri aşamalarda patlaması kardiyovasküler hastalıklara sebebiyet verir. Ateroskleroz oluşumu biyokimyasal risk faktörlerinin varlığının yanında lokal kan akışının tipine de bağlıdır. Düz damarlardaki yüksek laminar kayma gerilmesi ateroskleroza karşı koruyucu iken, salınımlı/tersinir kan akışı görülen kıvrılan damar geometrilerindeki düşük kayma gerilmesi ateroskleroza eğilimli bölgeler oluşturur. Ayrıca, plak geliştikçe damar çapı küçülerek kan damarı daralmakta ve lokal kayma gerilmesini değişime uğratmaktadır. Fizyolojik kayma gerilmesinin önemi ve endotel hücrelerin kayma gerilmesindeki değişimlere verdiği yanıtlar üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Ancak şimdiye kadar hiçbir çalışma düzensiz akışın endotel hücreler üzerindeki biyolojik etkilerini, aterosklerotik plak mikroçevresini yüksekten düşüğe kayma gerilmesi değişimi yönünden taklit eden bir model kullanarak incelememiştir. Bu çalışmada, aterosklerotik plak geometrisini taklit eden özgün tasarımlı bir kaviteli mikrokanal kullanılarak düzensiz akışın HUVEC hücreleri (göbek kordon ven endotel hücreleri) üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde, düz ve kaviteli kanallarda konflüent endotel tabakası elde etme ve hücreler üzerine kayma gerilmesi uygulama metodları anlatılmıştır. Yapılan ön çalışmalarda, düzensiz kayma gerilmesinin endotel hücrelerinin F-aktin ağı ve ICAM-1 molekül ifadesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Düşük seviyedeki düzensiz kayma gerilmesinin hücre korteksinde F-aktin birikimine ve akış yönünde F-aktin yapılanmasına yol açtığı belirlenmiştir. Bu etkinin, kanalın göreceli yüksek kayma gerilmesine sahip olan dar bölgelerinde daha fazla bulunduğu tespit edilmiştir. HUVEC hücrelerinin göreceli düşük kayma gerilmesi uygulanan kavite bölgelerinde daha rastgele olarak hizalanması, bu bölgelerdeki akışın lokal olarak düzensizleşmesi ile ilişkilendirilebilir. Ayrıca, düşük seviyeli düzensiz kayma gerilmesinin ICAM-1 mRNA ifadesini arttırdığı belirlenmiştir; fakat TNFα aktivasyonu ile karşılaştırıldığında, düzensiz kayma gerilmesinin sebep olduğu ICAM-1 artışı daha düşüktür. Sonuç olarak, ateroskleroza eğilimli bölgelerdeki düzensiz kayma gerilmesi endotel adezyon molekülü ICAM-1 ifadesinin arttırılması yoluyla monosit hücrelerinin endotele çağırılmasına katkıda bulunuyor ve bu etki TNFα varlığı ile güçlendiriliyor olabilir. Bu çalışmada referans olarak yalnızca statik hücreler ele alınmıştır; fakat ilerideki çalışmalar için endotel hücrelere düz kanallarda laminar kayma gerilmesi uygulanacak şekilde ek kontrol grupları dahil edilebilir. Kayma gerilmesinin monosit davranışı üzerindeki tekil etkisi günümüze dek çalışılmamıştır. Bu çalışmada, THP-1 hücreleri kaviteli mikrokanallarda ardışık yüksek ve düşük kayma gerilmelerine maruz bırakılmış (ortalama olarak 4 Pa normal, 15 Pa yüksek, 45 Pa çok yüksek) ve F-aktin seviyesi floresan mikroskopi ve akan hücre ölçer yöntemleri ile araştırılmıştır. Yüksek seviyeli (15 Pa) düzensiz kayma gerilmesinin THP-1 monosit hücrelerinde F-aktin miktarını arttırdığı belirlenmiştir. Çok yüksek (45 Pa) seviyeli düzensiz kayma gerilmesinin THP-1 monosit hücrelerinde uzun vadede F-aktin miktarını azalttığı sonucuna varılmıştır. Bunların yanında, düzensiz kayma gerilmesi etkisinin kısa zaman aralıklarında belirlenerek etkinin daha kapsamlı bir şekilde anlaşılmasının sağlanabileceği düşünülmektedir.