LABORATUVARDAN YARALARIN ÜZERİNE: YAPAY DERİ

Leeloo’yu hatırlıyor musunuz Ocak 2013 sayımızdan? Doku mühendisliğinin temel fikirlerine ve uygulama alanlarına çok kısaca değinmiştik Leeloo’dan bahsederken. Bu yazımızda ise vücudumuzun en büyük organı konusunda doku mühendisliğinin neler yaptığına bakmaya çalışacağız.

Deri ya da cilt, insan ve hayvan bedeninin üstünü kaplayan çok katmanlı bir yapı olup vücudun en büyük organı. Ağırlığı yetişkin bir insanda 15 ila 20 kg (kabaca tartıda gördüğümüz rakamın %20’si) arasında değişirken yüzölçümü 1,8 – 2 m² civarında. Epidermis, dermis ve hipodermis adı verilen 3 tabakadan oluşan deri (Şekil 1) hayatta kalmamız için gerekli çok önemli işlevleri yerine getirmekte; mekanik etkilerden koruma, vücut sıcaklığının düzenlenmesi, hissetme, cinsel uyarı, mikroorganizmalara karşı ilk bariyer olma bu işlevlerden başlıcaları.

Doku mühendisliğinin deri konusunda çalışmalarına geçmeden önce biraz deriyi tanıyalım.

Epidermis
3 tabakadan oluşan derinin en üst katmanı epidermis olarak adlandırılıyor. Milimetrenin onda biri kalınlığında olan bu tabaka hemen altında bulunan dermis tabakasının kıvrımları ile iç içe geçmiş bir yapıda. Epidermal tabakayı oluşturan hücrelerin büyük çoğunluğu (%90 – 95) keratinosit adı verilen hücrelerdir. Bu hücreler sürekli bölünerek epidermisin bazal tabaka adı verilen en alt kısmından yüzeye doğru hareket ederler. Keratinosit hücreler patojenler, UV ışınları, sıcaklık gibi çevresel tehlikelere karşı bariyer oluşturma işlevlerinin yanı sıra yara iyileşmesinde de görev alırlar.

Dermis
Epidermis ile deri altı diğer dokular arasında bağlantıyı sağlayan kan ve lenf damarları, sinirler, deri kasları, ter ve yağ bezlerinin bulunduğu tabaka Dermis olarak adlandırılan tabaka. Eğer cildinizin esnekliği ile sıkıntınız varsa dermis tabakası olağan şüphelidir çünkü cildimize esnekliğini, kıvamını, dayanıklılığını veren tabaka dermistir. Epidermis dermis içerisine el parmağı şeklinde girer (rete ridge), dermis de epidermise aynı görünümde ilerler (papilla). Bu iki katın birleşim yerinde bazal membran denilen bir bölge bulunur.

Hipodermis
Derinin en önemli işlevlerinden biri olan vücut sıcaklığını düzenleme işini yapan bu tabaka derinin en alt katmanını oluşturur. Hipodermis yoğun olarak damar ve sinirlerden oluşur.

Doku Mühendisliği, Cerrahi Çözümler ve Deri

Değişik katmanlardan oluşan ve çok önemli yaşamsal faaliyetleri yerine getiren bu karmaşık organın işlevlerini yerine getiremez hale gelmesi ölüme kadar varabilen ağır sonuçlara yol açabiliyor. Yaralanmalar, genetik problemler, cerrahi müdahaleler derinin bir kısmının ya da tamamının işlevini kaybetmesine yol açan etkilerden. Çok miktarda derinin geri dönülemez şekilde kaybolmasına ve yaşamsal tehlikelere yol açan travmaların başında ise yanık ve haşlanmalar geliyor.

Doku mühendisliği ve cerrahi çalışmaların henüz bu kadar ilerlemediği dönemlerde 3. dereceden yanıklarla mücadele eden hastaların büyük bir çoğunluğu yaşamlarını kaybediyorlardı. 1970’lerde yanmış derinin hastanın yaşamı için tehlikeli bakteriler üremesi için uygun ortam yarattığının fark edilmesi ile yanık derinin cerrahi müdahale ile alınmasına başlanması açık halde kalan yanık yaralarının kapatılması için gerekli deri ya da suni deri üretilmesini gerekli hale getirmiş. Araştırmacılar ilk başlarda değişik hücrelerle çalışarak kaybolan derinin kopyasını yapmaya çalışsalar da derinin karmaşık ve çok fonksiyonel yapısı birebir aynı işlevlere sahip derinin üretimini mümkün kılmamış.

Araştırmacılara en çok zorluk çıkaran hücreler ise yukarıda bahsettiğimiz keratinosit hücreleri. Bazal membranda bölünmeye başlayarak yüzeye doğru çıkan bu hücreler salgıladıkları kimyasal sinyaller ile yeni derinin büyümesi ve deri yenilenmesinin sağlanmasında anahtar işleve sahipler. Derinin kendisini nasıl yenilediği ve yaraları nasıl iyileştirdiğini sevgili Can Holaykin daha önce “Bir Yara Kabuğunun Hayatı – 1” ve “Bir Yara Kabuğunun Hayatı – 2” isimli iki ayrı yazıda detayları ile anlatmıştı bizlere. Ancak derin yanık yaraları gibi derinin önemli bir kısmının kaybolduğu ve kendilerine yol gösterecek fonksiyonel bir deri yapısının bulunmadığı durumlarda keratinositler beklendiği gibi çalışmıyor ve istenilen deri dokusunu üretmiyorlar. Keratinositlerin normal şekilde üremeleri için fibroblast adı verilen hücrelerce üretilen kollajenlerden oluşmuş hücre dışı matris yapıya ihtiyaç duyduğunu gözleyen araştırmacılar bu kollajen yapıları inek ve köpekbalıklarından elde etme yolunu seçmişler. Hastaya implante edilen kollajen içinde yeni dermis oluştuğunda fibroblast hücreleri bu dışarıdan elde edilen kollajen iskelenin^* çökmesini tetikleyerek yeni dokunun iskelenin yerini almasını sağlıyor. Dermis tabakası bu sayede üretilmiş olsa da yanık hastalarının epidermal tabakaya ihtiyaçlarına yanıt vermiyor bu yöntem.

Epidermal tabakanın üretimi ise 20 yılı aşkın süredir otolog (hastanın kendi vücudundan alınan) keratinosit kültürleri aracılığı ile yapılıyor. Otolog keratinosit kültürleri yanık hastalarının hasar görmemiş derisinden bir parça alınıp laboratuvarda kültüre edilerek büyütülmesi ve hastanın yanık bölgesine uygulanmasına verilen ad. Hastanın sağlıklı derisinden alınan parçanın laboratuvar ortamında 100 kata kadar büyütülmesiyle elde edilen deri grefleri^‡ kalıcı yara örtüsü olarak kullanılıyorlar. Kültüre edilen bu otolog greflerin üretimi 3 – 4 hafta gibi uzun bir süre alıyor; hastaya nakil edildiğinde de sadece kısmi anatomik ve fonksiyonel tedavi sağlıyorlar. Ancak inek ve köpekbalığı kollajenleri ile üretilen dermis tabakası ile otolog keratinosit kültürlerinden elde edilen epidermal tabakanın birbirine gerçek anlamda bağlandığı söylenemez. Epidermal ve dermal tabakaları bu şekilde yenilenen hastalarda epidermisin kolayca ayrılabilmesi (örneğin gömleği çıkarırken aniden epidermal örtünün yerinden ayrılması) gibi sorunlar yaşanabilmesine rağmen oldukça başarılı olan bu yöntem ülkemizde de sıklıkla kullanılıyor. Otolog keratinosit kültüre grefler halen yanık tedavilerinde en etkili yöntem olarak kullanılıyor olsa da özellikle yeterli kalitede ve büyüklükte greflerin elde edilememesi ve diğer yaşanan sorunlar doku mühendisliğinin geliştirdiği ve üzerinde çalışmakta olduğu çözümlere klinik merakın artmasına yol açmış.

Doku mühendisliğinin deri üretmedeki potansiyeli ve sınırları sadece yapısal ve fonksiyonel kısmi tedavilerin sağlanması ile sınırlı değil. Açık Bilim okuyucularının hatırlayacağı gibi doku mühendisliğinin hedefi hasta ya da hasarlı dokunun/organın vücut dışında üretilip hastaya nakledilerek doku ve organ kayıpları nedeni ile ölümlerin önüne geçmek ve hastanın yaşam kalitesini arttırmaktır. Doku mühendisleri hastanın tedavisi için gerekli hücrelerin bir iskele yapı üzerinde doğru uyaranlar aracılığı ile büyüterek mümkün olduğunca doğal dokuyu taklit eden yapıları üretme fikri ile çalışmalarını sürdürüyorlar.

Günümüzde doku mühendisliği modelleri ile yapılan deri alternatiflerini 3 ayrı kategoriye koymak mümkün: sadece epidermal tabakayı sağlayan modeller, sadece dermis tabakasını sağlayanlar ve her ikisini birden sağlayan modeller. Epicel, Myskin, Laserskin ve EpiDex epidermal tabakayı sağlayan ticari ürünlerden bağzıları. Herbirinin üretim yöntemi farklı olsa da hepsinin üretimi laboratuvarda hücrelerin kültüre edilmesi temeline dayanıyor. Doku mühendisliği çalışmaları epidermisi bire bir mimik etmeyi başarmış olsalar da dermis için aynı şeyi söylemek mümkün değil. Dermis tabakasının karmaşık ve farklı hücrelerden oluşmuş yapısı henüz tam olarak doku mühendisliği çalışmaları ile taklit edilememiş durumda. Dermis içerisinde bulunan kan ve lenf damarları, kıl kökleri, kas yapıyı aynen üretmeye çalışmak doku mühendisliğinin deri ile ilgili hedeflerinden birisi. Ancak doku mühendisliğinin geliştirdiği deri

modellerinin en önemli sorunu kan damarlarının oluşmasını sağlamak. Kan damarlarının oluşturulması için geliştirilen ticari çözümler bulunmasına rağmen bu çözümlerin hastalar için önemli olan esneklik, estetik gibi özellikleri hala idealden çok uzakta olması nedeni ile klinik araştırmacılar ve doku mühendisleri deri çözümleri konusunda çalışmaya devam ediyorlar. Alloderm, Dermagraft, Integra, Transcyte ve Permacol isimli ürünler sadece dermis tabakasını sağlayan çözümlerden. Bu ürünler kadavra derisinin işlenmesinden tutun (Alloderm), yenidoğan fibroblast hücrelerinin değişik matris ve iskele yapılarda büyütülmesine kadar çok farklı yöntemlerle elde ediliyorlar. Apligraf ve OrCell adı verilen ürünler her iki tabakayı da sağlıyor. Bu iki ürün de yenidoğan keratinosit ve fibroblast hücrelerinden üretiliyor ancak kullanılan iskeleler farklı. Her iki üründe kullanılan fibroblast hücreler çöpe gideceğini düşünebileceğiniz yenidoğan erkek bebeklerin sünnet derisinden elde ediliyor. Bunun nedeni yenidoğan bebeklerden elde edilen hücrelerin hastanın bağışıklık sistemini zorlamaması.

Deri yerine kullanılmak üzere doku mühendisliği çalışmaları ile hali hazırda üretilmiş deri çözümleri bütün derinin kaybedildiği ağır derece yanıkların tedavisinde çok mükemmel olmasa da derisini kaybetmiş hastaların hayatta kalma ihtimallerini ve hasar sonrası yaşam kalitelerini artırıyor. Modern mühendislik araştırmaları ve klinik çalışmalar ile derisinin büyük bir kısmını kaybetmiş hastaların çok da uzak olmayan bir gelecekte otolog keratinosit kültürlere ihtiyaç kalmadan tedavi edildiğini görmek  mümkün olabilecek gibi görünüyor.  Araştırmacılar yeni ve inovatif deri mühendisliği yaklaşımları deneyerek normal derinin bariyer oluşturma, sıcaklık düzenlenmesi, estetik, mekanik koruma gibi bütün işlevlerini yerine getirecek yapay dokuları elde etme yönünde hızlı ilerlemeler kaydediyorlar.

[box]*iskele: Hücre tutunması ve üremesi ile yeni dokuların istenen şekilde oluşturulması ve hücrelere gerekli mekanik desteğin sağlanması için biyouyumlu ve biyobozunur malzemelerden üretilen, üç boyutlu ve gözenekli taşıyıcı.

‡ gref: bir kişiye kendisinden ya da başka birinden alınarak nakledilen doku ya da organ parçası[/box]

---

Kaynaklar:

1. “A review of tissue-engineered skin bioconstructs available for skin reconstruction”, Rostislav V. Shevchenko, Stuart L. James and S. Elizabeth James, J. R. Soc. Interface (2010) 7, 229–258
2. “Artificial skin in perspective: concepts and applications” Carla A. Brohem, Laura B. da Silva Cardeal et.al, Pigment Cell Melanoma Res. 24; 35–50
3. “Tissue engineering of replacement skin: the crossroads of biomaterials, wound healing, embryonic development, stem cells and regeneration”, Anthony D. Metcalfe and Mark W. J. Ferguson, J. R. Soc. Interface (2007) 4, 413–437
4. “Design of an artificial skin. I. Basic design principles.”, Yannas, I. and J. F. Burke, Journal of Biomedical Materials Research 14(1): 65-81. (1980).
5. How Stuff Works Web Sitesi

Ege Üniversitesi  Mühendislik Fakültesi Biyomühendislik Bölümü Öğretim Üyelerinden Yrd. Doç. Dr. Aylin Şendemir Ürkmez ve öğrencisi Begüm Zeybek’e konuyu anlamamı sağlayacak katkılarından ötürü teşekkürler.