Doku Mühendisliği ve 3D Bioprinting

3. Hafta


2001 yılına geri döndüğümüz zaman dünya genelinde yaşanan olaylar oldukça ilginç…


Dönemin Amerika Birleşik Devletleri başkanı George W. Bush iklim değişikliğine karşı bir takım önlemlerin alınması ve çevre korunmasına dair maddelerin yer aldığı Kyoto Protokolü’nü imzalamayı reddetti, Harry Potter serisinin ilk filmi gösterime girdi, 11 Eylül saldırıları gerçekleşti, Wikipedia yayın hayatına başladı, Windows XP çıktı ve daha pek çok olay… Ancak bu örnekler kadar dikkat çekmeyen bir olay daha yaşandı 2001 yılında. Dr. Anthony Atala ve ekibi laboratuvar ortamında geliştirdiği yapay mesaneyi Lucas Masella adında bir hastasına başarılı bir şekilde nakletti. Bu, geleceğin en önemli araştırma konularından birisi olacak olan doku ve organ mühendisliği için bir dönüm noktasıydı!

Welcome!
Yapay mesane – Kaynak

Peki neden bu kadar önemli bir olay bu?

Bugün insan ölümleri incelendiği zaman, çeşitli hastalıklar sebebiyle oluşan organ yetmezliğinin çözüm bulunamayan en önemli sorunların başında yer aldığı görülüyor. Yalnızca Türkiye için, sağlık bakanlığının raporuna göre yaklaşık 26000 hasta organ nakil listesinde beklemekte; ve şu an için organ kaynağı yalnızca bağışlanan organlar.

Sağlık bakanlığının organ nakli raporu, 2018 yılı için yaklaşık 4000 organ naklinin gerçekleştiğini söylüyor; bekleyen hasta sayısının yaklaşık yalnızca %15’i!

İşte 2001 yılında gerçekleşen bu dönüm noktası tam da bu sorun için bir çözüm umudu taşımakta. Laboratuvar ortamında üretilen organlar, organ bekleyen hastalar için bir umut olabilir.

Elbette doku mühendisliğinin ilgilendiği tek konu organ üretimi değil. Hayvan deneylerinin yerini alabilecek araştırmalar da mevcut. Üretilen yapay dokular, geliştirilen teknolojilerin test edilmesi amacıyla (yeni ilaçlar ile yapılan deneyler gibi) kullanılabilir ve bu sayede hayvan deneylerine duyulan ihtiyaç önemli oranda ortadan kaldırılabilir.

Bioprinting konulu yazılarda ileride daha detaylı bir şekilde bahsedeceğimiz yeterli damarlaşmanın sağlanamaması gibi bazı problemlerden dolayı doku mühendisliğinin klinik uygulamaları henüz oldukça sınırlı. Günümüzde mesane, çeşitli damarlar, cilt yamaları ve kıkırdak dokunun çeşitli doku mühendisliği teknikleri ile üretimi ve bazı klinik uygulamaları görülse bile bir soluk borusu nakli örneğinde karşılaşıldığı üzere, işlemlerin risk ve maliyeti şu an için oldukça yüksek.

3D Bioprinting bu uygulamalarin neresinde yer aliyor?

Doku mühendisliği uygulamaları geçmişten günümüze bazı farklı teknikler kullanılarak gerçekleştirilmekte. Evde kullandığımız mürekkep püskürtmeli yazıcılardan tutun, elektrik akımı yardımıyla fiber üretilerek hücreler için uygun bir ortamın sağlanabileceği electrospinning kullanımına kadar uzanan çeşitli teknikler bunlar. (Bu konuda daha detaylı kaynaklara yazının sonunda ileri okumalar başlığın altında ulaşabilirsiniz.)

Bioprinting de bu farklı uygulamalardan birisi işte. Diğerlerine göre daha güncel olması sebebiyle farklı uygulamalara oldukça müsait. Tıp doktorları, kimyagerler, malzeme mühendisleri, biyolog hatta fizikçilere kadar uzanan farklı disiplinlerde çalışan araştırmacıları bir araya getiren bir konu.

Temeli, 3 boyutlu yazıcıların çalışma prensibine dayanmakta. Bir polimerik materyali içi boş bir iğne yardımıyla katman katman yükselerek birbiri üzerine bindiriyorsunuz. Kullandığınız materyal hücre kullanımına uygun / biyouyumlu bir polimer ise ve deneyleriniz hücre içeriyorsa bu işlemin adı bioprinting / biofabrication oluyor.

Bioprinter ile hedeflediğiniz yapıya ulaşmak amacıyla bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design| CAD) uygulamaları kullanılıyor. Örneğin bir kemiğin MR veya röntgen görüntüsünü kullanarak CAD sayesinde bioprinter kullanarak o görüntüye uygun bir yapı üretebilirsiniz. Fakat en temelde, bütün ürünler scaffold | doku iskelesi adı verilen yapıların üst üste binmesi ile oluşuyor (bkz. yukarıdaki video). Scaffold, içinde biyomateryal barındıran polimerlerin sürekli çizgiler halinde basılması / printing ile üretiliyor. Bu biyomateryaller büyüme faktörleri gibi proteinler de olabilir, yalnızca hücre de olabilir.

CAD ile oluşturulmuş bir kemik örneği. Oluşturulan şeklin katman katman oluşunu gözden kaçırmayın

Canlı hücreler ile çalışıldığı için kullanılan materyal, bioprinting çalışmalarında en önemli bileşen konumunda. Hücrelerin yaşaması ve gelişmesine elverişli bir ortam sağlayabilen bu materyallere bioprinting terminolojisinde bioink adı veriliyor.

Yani kısaca, bioink kullanarak bir bioprinter aracılığıyla hedeflediğiniz yapıyı katman katman basıyorsunuz. Basma işlemi yapıya bağlı olarak dakikalar da sürebilir, günler de…

Basma işlemi bittikten sonra kullandığını hücre tipine ve bioink olarak kullandığınız materyallere göre bazı işlemler yapmanız gerekiyor.

Bioink olarak kullanılan materyal, ince bir iğne ucundan (işleme göre değişebilmekle birlikte genellikle 250 mikrometre çapında) geçebilecek akışkanlıkta olmalı. Bu özellik çok önemli bir sorunu da beraberinde getirmekte: ürettiğiniz şeklin katman sayısı arttıkça katmanlar birbiri üzerine akarak istenen yapısal formun bozulmasına sebep olacak. Bu sebeple bioprinting işlemi esnasında veya işlem bittikten sonra yapısal bütünlüğün uzun süreler boyunca korunmasını sağlamanız gerekmekte (bkz. ileri okuma; cross-linking / çapraz bağlanma).

Yapı uzun süre boyunca formunu korumalı ki içerisinde bulunan hücreler çoğalsın ve istediğiniz dokuyu oluştursun. Bu süreç haftalar alabilmekte.

Yaptığınız işlem sonucunda yapısını koruyan bioink, aynı zamanda belli bir süre sonra bozunarak vücut dışına da atılmalı! Yani hem uzun süre dayanacak, hem de aslında o kadar da uzun süre dayanmayacak. Bu dengeyi sağlayabilmek en az bioink seçimi kadar önemli. Bu süreç boyunca hücrelerinizin çoğalarak doku oluşturması amacıyla onları beslemeli ve gerekli atmosferik şartlar altında tutmalısınız. Bunun için bastığınız yapıyı hücre kültürü ortamına almalısınız (bkz. ileri okuma; hücre kültürü).

Bütün bu işlemlerin tamamlanması genelde birkaç hafta sürüyor.

Bioprinting işlemine kısa bir özet halinde bakmak gerekirse;

  • İçinde hücre bulunanve bioink adı verilen malzemeyi, bioprinter aracılığıyla katman katman basarak CAD adı verilen programlar sayesinde oluşturduğunuz şekli elde ediyorsunuz. Bu bir kemik gibi kompleks bir şekil de olabilir, basit bir scaffold da olabilir.
  • Bioprinting işleminden sonra yapının belli bir süre için bozulmaması amacıyla bazı işlemler uyguluyorsunuz.
  • Hücrelerin çoğalarak istediğiniz dokuyu oluşturması için bastığınız yapıyı hücre kültürü ortamıan alıyorsunuz.
  • Voila! Eğer her şey yolunda gittiyse elinizde canlı bir doku var!

Yazida bahsedilen teknikler icin ileri okuma kaynaklari;

Doku mühendisliği

Cross-linking | Çapraz bağlama

Hucre kulturu

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap /  Değiştir )

Connecting to %s

WordPress.com'da bir web sitesi veya blog oluşturun

Yukarı ↑

Web sitenizi WordPress.com ile oluşturun
Başla
%d blogcu bunu beğendi: