Rejeneratif biyoloji ve tıp uygulamaları

Seden Bedir, Fatih Kocabaş
Yeditepe Üniversitesi Rejeneratif Biyoloji Araştırma Laboratuvarı

Yaşamsal faaliyetlerini sürdürebilmesi için bakterilerden insanlara tüm canlılar bir ölçüde rejenerasyon (yenilenme) kabiliyetine sahipler. Hızla değişen ve yaşlanan dünyamızda, nakil için gittikçe artan organ ihtiyacını karşılamak amacıyla yeni ve farklı organ-doku yenilenme teknolojileri geliştirilmesi gerekmektedir. Önceki yazımızda bahsettiğimiz rejenerasyon mekanizmalarını kullanarak ihtiyacımız olan doku ve organı üretmek veya hasarlı dokuları kendilerini onarmaları için uyarmak, rejeneratif tıbbın temel amacıdır. Bu amaçla yapılan çalışmaların sonucunda yeni organ basım teknolojileri geliştirilmektedir. Ayrıca, son gelişmeler ilerde hasarlı doku ve organlarımızı, kendi hücrelerimizden üretebileceğimiz organlarla veya dokularla organ reddi ihtimalini yok ederek tamamlayabileceğimizi vaad etmektedir.

Rejeneratif tıbbın amacı

Rejeneratif tıp, organ nakline ihtiyaç duyulmadan vücuttaki bozuklukları gidermek amacıyla yeni stratejiler geliştirmeyi amaçlar. Bazı hastalıklar dokulara o kadar büyük ölçüde zarar verir ki organ nakli gerçekleştirilmeden hastanın iyileşmesi mümkün olmamaktadır. Örneğin kalp hastalıkları, dünya nüfusunun çoğunu etkilemektedir ve genellikle kalp yetmezliğinde son çözüm kalp naklidir. Kalp naklinin yeterince riskli bir operasyon olmasıyla birlikte, iyileşme sürecinde hastanın vücudunun yeni organı reddetmeyeceği kesin değildir [1]. Ayrıca bazı kalp rahatsızlıklarında kapakçıklar hasar gördüğünde, kapakçık onarımı ya domuz kapakçığı eklemekle ya da mekanik bir cihaz yerleştirmeyle sağlanabilmektedir. Kapakçık onarımı sonrasında da komplikasyon ihtimali yüksektir. Ayrıca, mekanik cihazların etrafında kan pıhtılaşabileceğinden, hasta kan sulandırıcı ilaç kullanmak durumunda kalmaktadır. Bu gibi durumları azaltmak rejeneratif tıbbın amaçları arasındandır ve bunu gerçekleştirmek için birbirinden yeni uygulamalar geliştirilmektedir.

Rejeneratif tıp yaklaşımı olarak doku mühendisliği

Doku mühendisliği, temel olarak uygun biyomateryallerden ve kök hücrelerden nakillerde kullanmak için yapay doku ve organ üretilmesini amaçlayan, uygulamalı bir bilim dalıdır (Resim 1). Hücreler ve biyomalzemeler, doku mühendisliği uygulamalarında kullanılan temel yapı taşlarıdır. İskeletlerde kullanılan biyomalzemeler, doku mühendisliği uygulamarında çok önemli bir yer kaplar. Öncelikle doku üretmek için ilk adım olarak “iskelet” oluşturulur. İskelet uygun hücrelerle doldurulur ve istenilen dokuya benzer yapıların oluşumu için bu hücreler çeşitli yollarla uyarılır. Sonrasında hücrelerin 3 boyutlu bir iskelette ve uygun biyoreaktörde hücre farklılaşması ve doku gelişimi tamamlanır. İskelet, sağlıklı dokunun in vivo ortamda rejenerasyonuna yardımcı olmakla birlikte vücut içi (in vivo) ve vücut dışı (ex vivo) ortamda ekilen ve birbirleriyle bağlantısı olmayan hücrelerden doku oluşumuna da yardımcı olur. Bu sebeple uygun işlem için doğru iskelet yapısını seçmek doku mühendisliği çalışmalarında önemlidir. Uygun bir iskelet; biyolojik açıdan uyumlu ve kontrol edilebilir seviyede parçalanabilme özelliğine sahip olmalıdır. Parçalandığı zaman oluşan ürünler toksik olmamalıdır. Ayrıca, besin, oksijen ve atık madde transferini hızlı bir şekilde sağlamak amacıyla yüksek oranda porlu bir yapıya sahip olmalıdır. Bunun yanında, iskelet çevresel mekanik etkilere karşı da dayanıklı olması gerekmektedir.

Hücreler, canlılık faaliyetlerini gösteren en küçük yapı birimi olduğundan üretilecek organın veya dokunun fonksiyonel olabilmesi için 3 boyutlu iskelete ekilecek hücreleri doğru bir şekilde belirlemek çok önemlidir. Doku mühendisliğinde kullanılan hücrelerin başında istenilen özelleşmiş dokuya farklılaşma ve sürekli bölünme yeteneği olan henüz farklılaşmamış kök hücreler gelir. Elde edilişlerine göre ana iki çeşit kök hücre vardır: embriyonun iç kütlesinden elde edilen sınırsız bölünme ve 3 germ tabakasına da vücut içinde (in vivo) ve vücut dışında (ex vivo) farklılaşma özelliğine sahip embriyonik kök hücreler (EKHler) ve dokularda ve organlarda hali hazırda bulunan ve bulunduğu bölgenin rejenerasyonundan sorumlu yetişkin kök hücreler, örneğin mezenkimal kök hücreler (MKHler) ve hematopoetik kök hücreler (HKHler).

Gün geçtikçe artan organ ihtiyacı, doku mühendisliği uygulamalarına olan ihtiyacı dolayısıyla bu alandaki araştırmaları artırmıştır. Son zamanlarda doku mühendisliği bir birinden farklı sağlık sorunlarına yeni yaklaşımlar sunmuştur. Bunlar arasında 3 boyutlu yazıcıların geliştirilmesi, yapay mesane üretimi, yapay kulak ve trake üretimi çalışmaları verilebilir.

Rejeneratif tıp alanında öncü çalışmalar

3 Boyutlu Biyoyazıcılar

Organ yetmezliği günümüzün, en büyük sorunlarından birisidir. Birçok hasta için tek tedavi, hasar gören doku ve organları için nakil listesinde kendilerine uyan doku veya organın belirmesini umutla beklemektir. Gelişen doku mühendisliği prosedürleri ve yapay organ teknolojileri, klasik organ naklindeki doku reddi ve benzeri sorunların da bir yandan çözüme ulaşmasını sağlamakta çığır açacak niteliktedir. Bu açıdan, 3 boyutlu yazıcılar, sanal olarak tasarlanan belgelerden 3 boyutlu katı objeler üretmeyi sağlayan, çok hızlı gelişen bir teknolojidir (Resim 2). Neredeyse bilimin her alanında kullanılan 3 boyutlu yazıcılar, 3 boyutlu biyoyazıcı olarak tıp alanında doku ve organ üretimini hedefleyen çalışmalarda öne çıkmıştır.

Günümüze kadar 3 boyutlu yazıcılarda hasar gören dokulara ve organlara destek sağlamak amacıyla, kaybedilen veya zarar görmüş vücut parçalarının yerini doldurmak için 3 boyutlu yazıcıyla üretilmiş protezler ve materyaller başarıyla kullanılmıştır [3]. Bu işlemler sırasında örneğin vücutla istenmeyen tepkime vermeyen ve vücuda adapte olması kolay materyaller ve metaller kullanılmaktadır. Bununla birlikte 3 boyutlu yazıcılar, hastalıkların tanı ve tedavisine yardımcı olmak amacıyla da modelleme yaparken de sıkça kullanılan bir araçtır.

3 boyutlu yazıcı teknolojisinde ürünün hangi materyalden elde etmek istiyorsak mürekkep olarak o materyali kullanırız. Amacımız 3 boyutlu biyoyazıcılarda doku ve organ üretmek olduğundan, mürekkebimiz hücrelerarası iskeleti oluşturan maddeler ve/veya fonksiyonel en küçük parçamız olan hücrelerimizdir. Mürekkep olarak hücrelerimizi kullanıp biyoyazıcılarda doku ve organ üretmeyi günümüz teknolojisi bir ölçüde başarmış durumda; bu duruma farklı metotlarla yapay kalp, trake ve mesane üretimi örnek verilebilir [4]. Asıl amaç ise organ ihtiyacını 3 boyutlu biyoyazıcılarla sağlayarak kendi hücrelerimizden, kendi kök hücrelerimizden organlar ve dokular üreterek doku reddi ihtimalini yok etmek.

3 boyutlu biyoyazıcıyla organ üretirken uygulanması gereken adımlar şöyle sıralanabilir:

• İlk olarak 3 boyutlu biyoyazıcı kullanılarak organı oluşturacak yapı iskeleti oluşturulur.
• Yeni hücrelere farklılaşacak kök hücreler iskelet üzerinde dağıtılır.
• Organın şeklini alması için proteinler ve uyaranlar eklenir.
• Organın oluşması için gerekli ortam (37 °C, vücut sıcaklığı) sağlandıktan sonra kök hücrelerin ve iskeletin gerekli organa dönüşmesi beklenir.

Yapay kulak kepçesi çalışmaları

2013’te Lawrance Bonassar ve bir grup bilim insanı, yapay kulak kepçesi üretmeyi başardı (Resim 3) [6]. 3 boyutlu biyoyazıcı kullanılarak uygulanan prosedürde ilk olarak kulağın anatomisi tespit edildi. Daha sonra, fareden elde edilen kollajenle ve inek kulağından elde edilen kıkırdak hücreleri uygun kalıba dökülerek hidrojel elde edildi. Bu yapıda kollajen, iskelet görevini üstlenirken, kıkırdak hücreleri de doku gelişimi görevini üstlendi. Kıkırdak doku, gelişmek için kan desteğine ihtiyaç duymadığından kan damarlarının 3 boyutlu biyoyazıcıda üretilmesine ihtiyaç duyulmadı. Bu durum kıkırdak hücrelerini yapay kulak üretimi için uygun bir mürekkep haline getirdi. Nakil öncesi kıkırdak hücrelerinin uygun bir şekilde gelişebilmesi için doğal ortama ihtiyaç duyduğundan biyoreaktör olarak fare vücudu kullanıldı. Böylece yapının bir canlı vücudunda sağlamlığı ve işlevselliği de test edildi. Tüm bu işlemler sonucunda yapay kulak kepçesi, başarıyla fonksiyonel yapay bir kulak kepçesine dönüştürüldü.

Rejeneratif tıp uygulaması olarak yapay mesane üretimi

Diğer bir rejeneratif biyoloji ve tıp uygulaması bulan organımız olarak hastalık sonucunda alınması gereken mesanelerin yerine yapay biyouyumlu mesanelerin üretilmesi verilebilir. 2006’da ilk olarak Anthony Atala ve bir grup bilim insanı, 7 farklı spina bifida hastası çocuktan kendi mesane hücrelerinin bir kısmını alarak yapay mesane üretmeyi başardıklarını açıkladı (Resim 4) [8]. Üretilen bu mesane, ilk kez laboratuvar ortamında oluşturulan ve insanlara nakledilen komplike organ sayılabilir. Bu çalışmada kollajen ve poliglikolik asit iskeletlerinden oluşan yapay bir yapıya otogenik urotal ve düz kası hücreleri ekilmesi ile yapay mesane üretilmiştir. Sonuç olarak, nakil yapılan hastalarda nakil başarılı olup mesane fonksiyonu artmıştır ve organ üretiminde öncü bir çalışma olmuştur.

Nefes borusu

Solumun yolunda, özellikle nefes borusunda, hasar sonrası rejenerasyonun olmaması rejeneratif tıp yaklaşımlarının geliştirilmesini gerektirmektedir. Bunun için yapay nefes borusu üretimi çalışmaları yapılmaktadır. Bu ancak son zamanlarda başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Sentetik nefes borusu üretimi ve nakli ilk kez 2011’de uygulandı (Resim 5) [10]. Bu uygulamada 40 yaşın altındaki hastaya, son seviye nefes borusu kanseri teşhisi konmuştu ve bu hasta için kanserli nefes borusunun yerine sağlam nefes borusu nakli yaşamsal öneme sahip bir hale gelmişti. Organ beklemek için yeterli zaman olmadığı için beklemek yerine laboratuvar ortamında hasta için yeni bir yapay iskelet içeren nefes borusu üretildi ve sonrasında hastanın kök hücrelerinin gerekli hücrelere farklılaşması sağlandı. Aslında daha önce de yapay nefes boruları nakil için kullanılmıştı fakat o zaman nefes borusunun kıkırdak iskeleti doğal iskelet olarak kullanılmış, yani iskelet donör olarak elde edilmiş, nefes borusunun içindeki hücreler ise hastanın kemik iliğindeki kök hücrelerden farklılaştırılarak oluşturulmuştu. Yapay nefes borusu 12 saat süren bir operasyonun sonucunda Dr. Paolo Macchiarini tarafından hastaya nakledildi ve operasyon başarıyla sonuçlandı.

Kaynaklar

[1] Tissue Engineering. http://en.wikipedia.org/wiki/Tissue_engineering’ den alınmıştır.

[2] 3D Printing – A Biological Revolution? http://rapidprototyping.blog.quickparts.com/2012/06/21/3d-printing-a-biological-revolution/’ den alınmıştır.

[3] How 3D Printing Could End The Deadly Shortage Of Donor Organs? http://www.huffingtonpost.com/2015/03/01/3d-printed-organs-regenerative-medicine_n_6698606.html’ den alınmıştır.

[4] 3D bioprinting of tissues and organs. http://www.nature.com/nbt/journal/v32/n8/full/nbt.2958.html’ den alınmıştır.

[5] An Artificial Ear Built By a 3D Printer and Living Cartilage Cells. http://www.smithsonianmag.com/science-nature/an-artificial-ear-built-by-a-3d-printer-and-living-cartilage-cells-23720427/’ den alınmıştır.

[6] Artificial Ear Grown in Lab: Scientists. http://www.telegraph.co.uk/news/health/news/9882919/Artificial-ear-grown-in-lab-scientists.html’ den alınmıştır.

[7] Tony Atala (Artificial Bladder). http://openwetware.org/images/f/ff/Bladder.jpg’ den alınmıştır.

[8]  Atala, A., Bauer, S. B., Soker, S., Yoo, J. J., & Retik, A. B. (2006). Tissue-engineered autologous bladders for patients needing cystoplasty. The Lancet, 367(9518), 1241-1246.

[9] Man’s Life Saved With Artificial Trachea Using Stem Cells. http://www.lifenews.com/2012/01/16/mans-life-saved-with-artificial-trachea-using-stem-cells/’ den alınmıştır.

[10] Cancer Patient Gets World’s First Artificial Trachea. http://healthland.time.com/2011/07/08/cancer-patient-gets-worlds-first-artificial-trachea/’ den alınmıştır.

Kapak fotoğrafı: Steve Jurvetson, Flickr. Kimyasal olartak hücresizleştirilmiş, kök hücre ekimini bekleyen bir kalp.