DOKU MÜHENDİSLİĞİ




Doku mühendisliği, organ ve dokula­nn hastalara nakledilmek üzere laboratu­ar koşullannda oluşturulmaslyla uğraşan bir bilim dah. Bu dalın potansiyel güeüy­se gün geçtikçe genişlemekte. Yakın gele­cekte, mühendislik harikasl dokular saye­sinde organ nakline gerek kalmayaeak ve hastalann iyileştirilmesi için yeni ilaçlar geliştirilmesi işlemi hız kazanacak. Hüe­relerin kültür ortammda dokuları oluştu­racak şekilde geliştirilmesi, birkaç saniye sürebileceği gibi hafta1arca uzayabilen bir işlem de olabilir. Bu da, dokunun ti­piyle ve boyutlarlyla yakmdan ilişkili. 0.0001 cm'den 10 cm'ye kadar değişebi­len boyutlarda doku üretilmesi mümkün.


Gıda ve ilaç Dairesi (FDA) tarafmdan onaylanan doku mühendisliği ürünü sayısı beşten daha az olmasma karşın, 70'ten fazla firma tarafından yeni ürünlerin üre­timi için yilda 600 dolann üzerinde para harcanmakta. Mühendislik harikasl do­kularm geniş çapta üretilebilmesi için sağlıklı hücrelerin rahatlıkla elde edilebi­leceği elverişli bir kaynağa, uygun yapı is­keletlerine ve vücut ortamını taklit ede­cek uygun biyoreaktorlere gereksinim var. Urünün uzun omürlü olabilmesi için iyi korunması ve nakil sonrası doku red­dinin önlenmesi de gerekli.


     Hastalıklı veya hasarlı dokulann iyileş­tirilmesinde 3 ana strateji sozkonusu:

     (I) Yeni izole edilmiş veya kültür orta­mında geliştirilmiş hücrelerin nakli;

(II) Hücrelerden ve yapısal iskeletleriy­le laboratuar koşullannda oluşturulmuş dokulann nakli ve

(III) Dokunun bulunduğu yerde kendikendini yenilemesinin sağlanması.


Hücresel nakil için, hastadan ya da ve­riciden alman hücrelerle, küçük hücre kümeleri kullanılır. Bunlar hasarlı doku­ya doğrudan aşılanabildiği gibi, bozunur bir yapı iskelesiyle laboratuvarda birleşti­rildikten sonra da nakledilebilir. Doku naklinde, biyobozunur bir yapı iskelesiyle birlikte hastadan veya verici­den alman hücreler kullarularak labora­tuvar koşullarmda üç boyutlu tam bir do­ku elde edi1ir. Meydana getirilen doku kültürü "olgun" faza eriştişinde de hasta­nın vücuduna nakledilir.Yerinde yenileme tekniğindeyse, yapı iskelesi hasarlı dokuya doğrudan nakledi­lir ve vücut hüerelerini uyararak, yerel doku tamirine yardımcı olur.



Hücre nakli için kullamlan kaynaklar hastadan alnan "otolog" hücreleri, has­tayla immünolojik olarak bir benzerlik gostermeyen bir insan vericiden alınan "allogenik" hücreleri ve farklı bir türden alınan "ksenogenik" hücreleri içerir. Bu işlemlerde kendi kendini yenileme ve farklı hücre tiplerine farklılaşma yetene­ğine sahip olan embriyonik kök hücreler kullamlabildiği gibi, olgunlaşmanın farklı safhalannda bulunan hücrelerden oluşan kanşlmlar da (kok ve progenitor hücrele­ri de içeren) kullamlabilir. Bazı yaklaşılm­larda hücre karışımları kullanılmakla bir­likte, çoğunlukla kok hücrelerin aynlma­sı ve zenginleştirilmesi yoluna gidilir. AI­logenik hüereler, cilt ülseri, şeker ve ka­racişer hastalıklarının tedavisinde başa­nyla kullanlıyor. şeker hastalarının ve venoz cilt ülseri hastaların tedavisinde, laboratuvar koşullarında canlı deriden hazırlanmış ve FDA tarafmdan onaylan­mış olan iki ürün kullanılmış durumda. Bu ürünlerden ilki, insana ait sünnet de­risinden elde edilen yenidoğan deri fib­roblast Kültür ortamında geliştirilen ye­nidğşan fibroblastları, su varlığında za­manla yıkıma uğrayan bir polimer olan polilaktit koglikolitten oluşan ince bir ya­pi iskelesi üzerine ekiliyor. Hücreler, de­rinin alt tabakasma benzer bir yapı kaza­nıncaya kadar, birkaç: hafta için biyoreak­torler içinde kültüre bırakılıyorlar.


Diğer deri ürünüyse, hem deri, hem de üstderi tabakalarına sahip. Vücut sıcaklığında jel haline gelen bir kollajen çözeltisi içerisinde bulunan deri fibroblast­larından oluşan bu üründe, jelin etrafi çok sayıda üstderi tabakaslyla (insan ke­ratinositleri) çevrili. Hastaya nakledildik­ten sonra bu deri ürünü, iyileşme süreci içerisinde, kısmen veya daha fazla miktar­da olmak üzere konak deriyle yer değişti­riyor. Deri ürünlerinde bulunan fibrob­lastlar, doğal olarak hücre dışı dolgu maddesi salgılarlar ve konakçı vücut tara­findan salgılanan gelişimden sorumlu moleküllerle etkileşime giriyorlar. Bu urunler, nakil sonrasında 6 ay kadar var­lıklarını surduruyorlar.


Muhendislik urunu olan deri nakilleri­nin deri hasarlanm ve yanıklarının  tedavi­deki başarısı, karaciger ve pankreas ha­sarlarının tedavisinden çok daha kolay. Çunku kultur ortamında pankreatik ada­cık huerelerinin ve karaciger hucreleri olan hepatositlerin uretilmesi, fibroblast veya keratinosit huerelerinin uretilmesi­ne kiyasla oldukça zor.


FDA'nm onayladığı bir otolog hucre urunu, eklem kıkırdak dokusunun teda­visinde kullamlıyor. Hastanın hasar gör­muş diz ekleminin saglam kısmından ku­çuk bir kıkırdak doku parçası alınıyor. İzole edilen kıkırdak hucreleri, kültlürde geliştirildikten soma hasarlı bölgeye nak­lediliyor. Bu yaklaşlma benzer olarak, ha­sarlı kemik iliginden elde edilen mezenki­mal kök huereler, kültlür ortamında geliş­tirilerek, farklılaşma yönunde uyarılıyor­lar. Bu şekilde elde edilen hucreler, hasar görmuş kemik, kıkırdak, tendon veya li­gamentlerin tedavisinde kullanılıyor.


Verici ve hastaya ait hucreler zaten te­davi amaçlı kullanılabiliyorsa, embriyonik kök hucreler uzerinde bu denli yoğun bir ilgi olmasının  nedeni ne? Bu sorunun ya­nıtı, kök hucrelerin potansiyel özellikle­rinde yatıyor. Embriyonik kök hucrelerin bu cazibelerinin nedeni, laboratuvar ko­şullannda farklılaşmamış bir aşamaday­ken geliştirilebilmeleri ve birçok farklı hücre tipine kaynak oluşturabilmeleri. Yetişkin kemik iliğinden elde edilen kök hücrelerse, sitokinlerle uyarıldıktan son­ra, çok sayıda kan hastalığının tedavisin­de kullanırlar. Son çalışmalarda, kemik iliginden elde edilen bu hücrelerin hepa­tositlere, kalp kası hücrelerine ve akciger dokusuna dönuşebildikleri de belirtilmiş bulunuyor. Kemik iliği nakliyle, en azın­dan bir hayvan modelinde karaciger has­talığının tedavisi başanlmış durumda. Ke­mik kusurlarının tedavisinde kemik iligi­nin yamslra muhendislik urunu kemik dokularının da kullanılması, hızlandırıcı bir etkiye sahip. Buna ek olarak, dolaysız olarak kemik oluşumundan sorumlu olan kök hücrelerin yogunlaşbnlmasl, se­çilmesi, iyileşmeyi daha da hızlandıracak.






Mikrodolaşımın Kan Damarları


Muhendislik urunu olan dokulara ait huereler, vueuda nakledildikten sonra, birkaç saat içerisinde oksijen tüketmeye başlarlar. Ancak implantlara oksijen ve besin maddelerini saglayacak olan kan damarlannm doku içerisinde oluşumu (anjiogenez) gunlerce surebilir. Bu som nun ustesinden gelebilmek için, kültür ortammda geliştirilmiş hücrelerin, dolay­sız olarak hastanm karacigerinde veya dalagmda bulunan damarh yataklara nakli yapilarak yolu izlenir. insan karaci­gerine direkt olarak enjekte edilen hepa­tositlerin, karaciger rahatslzhgl belirtileri­ni iyileştirebilmek için gerekli biyokimya­sal etkinliği gosterebildigi gorülmuş. Pankreatik adacık hucrelerinin yuksek derecede damarlı bir organ olan karaci­ğere nakledildigi şeker hastalannda da, birkaç ay sonra iyileşme gozlenmiş.

Ancak ne yazık ki, kemik ve tendon gi­bi yapllann tedavisi amaciyla yapilan na­killerde, mevcut damarlı yataklar kullanı­lamıyor. Boyle durumlarda da, sorunun giderilmesi için, VEGF (Damarlı Endoteli­yal Hucre Gelişim Faktoru) veya FGF (Fibroblast Gelişme Faktoru) gibi gelişme faktorlerini kontrollu bir şekilde yavaş yavaş serbest bırakabilen yapı iskeleleri­nin kullanımıyla anjiogenezin uyanlması veya hızlandırılması öngörulüyor. Mu­hendislik urunu olan derilerin de ilginç bir şekilde anjiogenezi hızlandrıldığı goz­lenmiş. Bunun nedeni, bu deri urunleri­nin içerdigi fibroblastlann anjiogenik ge­lişme faktorleri uretebilmesi. Önceden oluşmuş damarlı yataklara ve hızlı bir an­jiogeneze duyulan ihtiyacın ustesinden, birçok kok hucrenin ve progenitor hucre­nin ortak bir ozelligi sayesinde gelinebi­lir: bu hucrelerin duşuk oksijen duzeyle­rine karş1 dayamkhhklan.

Kemik dokuya ait kuçuk parçalar ha­sarlı kemik bölgesine nakledildiginde, implant içindeki kan damarlan, hasarlı bolgedeki damarlarla kaynaşır. Daha ileri bir çalışmayla ulaşılmak istenen amaçsa, nakil için tamamen damarlanmış ve ame­liyat sırasında hastanın kendi kan damar­lanyla birleştirilmeye uygun boyutlarda damarlara sahip dokuların uretilmesi.


Biyomateryaller


Birçok biyomateryal, kultur ortamın­da hucrelerin gelişimini yonetme kapasi­tesine sahip. Ancak sinir, kemik, kan da­marlan veya kornea epiteli gibi kritik bol­gelerde hasar somasl hücre gelişimini içeren doku yenilenmesinde, hucrelerin çok daha ozgun emirlere gereksinimi var­dır. Canlıda, hasarlı dokuları tamir eden ve yenilenmeyi saglayan hucreler, hem "düşman" hasar bolgesinden hem de çev­redeki saglıklı dokulardan gelen moleku­ler sinyaller tarafmdan adeta bombardl­mana tutulurlar. Bu nedenle bir yapl is­kelesi için seçilecek ideal madde, hasarlı dokunun tamiri için gerekli olan ve çevre dokulardaki hedef hucrelerden salman ozgun bitişme ve buyume faktoru almaç­lanyla seçici olarak etkileşime girebilme­li. Yapı iskelesi, bu hedef hücrelerin ha­sarlı bölgeye göç etmesinde öncüluk ede­bilir, hücreleri gelişmeleri ve farklılaşma­lan yönünde uyarabilir.

Fibronektin ve diğer hücre dışı mat­riks glikoproteinlerinde ozel bir uçlu ami­no asit dizisi içeren bitişme merkezleri­nin bulunmaslyla, hücre bitişmesini dü­zenleyen sentetik maddelerin tasanmı konusundaki çalışmaların yapılması mümkün olmuştur. Hücrenin hareket ye­tisi; hücre göçü, damar oluşumu ve sinir sonlarının yeniden gelişimi gibi fizyolojik olayların gerçekleşmesi için son derece onemli bir işlev olup, bitişmeye bağımlıdır. Ancak yapılan çalışmalar sonucunda, hücreler ve hücre dışı matriks arasındaki bitişme baglantılarının sayıca arttırlımasının aslında avantajlı olmadıgı anlaşılmış­tır. RGD gibi baglayıcılar sayıca az oldu­ğunda, hücreler hareket için gerektiği ka­dar güçlü bir şekilde tutunamazlar. Bağlayıcıların sayısı gereğinden fazlaysa, hüc­reler bu kez de birbirlerine çok sıkı bir şekilde yapıştıklrı için hareket edemez­ler. Bu nedenle, optimal huere göçü için ortalama bir bitişme koşulu zorunludur.

Büyüme faktörlerini sıvı ortama bırak­mak yerine onları içinde bulundukları hücre dışı matriksle birlikte ele almak, ya­pay atardamarlann uretimi sırasmda sinir hücrelerinin ve duz kas hücrelerinin geli­şiminde olumlu bir etki göstermiştir. Bir sonraki basamak, gelişme faktörlerini ve ilgili bitişme böllgelerini doğru bir şekilde içeren jel halindeki yapı iskelelerinin kul­lanılması olacaktır.


Doku Mimarisi


Kıkırdak, kemik, kan damarlan ve di­şer dokulann doşru molekuler ve mak­roskopik kahplar içinde olmalan, doku­nun işlevini duzgun bir şekilde yerine ge­tirebilmesi için ilk koşul iki boyutlu yapı iskeleleri uzerinde laboratuvar koşulla­rında geliştirilmiş baş dokusu hücreleri, biyokimyasal olarak uygun olan hücre dışı matriks molekülleri salgılasalar da, uygun bir doku mimarisine sahip olamlıyorlar. Bunun nedeni, hücre gelişimi sıra­sında uygun fizyolojik stres koşullanın yaratılmasmda saklı olabilir.

Hücre kültürlerinde kullanılmak üze­re tasarlanan birinci kuşak biyoreaktör­ler, gelişmekte olan dokuya sadece besin sıvısı pompalamak üzere tasarlandılar. Kan damarları ve kıkırdak geliştirilmesinde kullanılmak üzere üreti­len ikinci kuşak biyoreaktörler ise basınç ve stres oluşturacak, ve hatta kültür ortamını olduğu gibi pompalayacak şekilde tasarlandılar. Kalp rahatsızlığı nedeniyle by-pass ameliyatı geçirmesi gereken yak­laşlk 500 bin kadar hastada, bu yapay atardamarlar kullanıldı.. Polimer iskele uzerine endoepiteliyal hücrelerin ekilme­si yoluyla ve kalp atışı şeklinde pompa­lanma yöntemiyle geliştirilen bu yapay atardamarların 2000 mmHg basınca da­yandıkları, stres altında geliştirilmeyen dokulardaysa; bu değerin sadece 300 mmHg olduğu görüldü.

İmplantasyonda kullanılacak doku eğer öncelikee hastadan elde edilecekse, her hasta için ayn bir kültür sistemi gere­kecektir. Bu da hem çok büyük emek, hem de büyük maliyet demektir. Bu da, dokunun hücrelerin aşılanması yoluyla yerinde geliştirilniesi ve gerekli mekanik streslerin doğal olarak uygulanması ko­nusuna gösterilen büyük ilginin nedeni.

Doku muhendisliği, çeşitli hastalıkla­rın mekanizmasının anlaşılmasında ve ilaçların geliştirilmesinde uygulanabilir. Orneğin; dünya çapında 170 milyondan fazla insan Hepatit C virusu taşıyor ve bu sayı gün geçtikçe artıyor. Kültür ortamın­da geliştirilen karaciğer hücrelerinin He­patit C virusu ile enfekte edilmesi olduk­ça zor bir işlem. Ayrıca, küçük hayvan modellerinin azlığı nedeniyle bu patojen­le mueadelede gerekli ilaçlar geliştirilemi­yor. İnsandan alınan hepatositler de, kültür ortamına alındlklarında, viral enfeksi­yonlara karşı duyarlılık ve ilaçları meta­bolize etme yetisi gibi, karaciğere özel iş­lemlerinin büyük bir bölümünü yitirirler. Bu nedenle, insan karaciğer hücrelerinin farelere nakli yoluyla elde edilen melez hayvan modelleri, Hepatit C virusu ve di­ğer Hepatit viruslerinin çalışılması konu­sunda altematif bir sistem sağlayabilir.

Önümüzdeki onyilda doku muhendis­liğinin en büyük etkisi, hiç kuşkusuz, hastalık oluşumunun incelenmesi ve mo­leküler tedavi geliştirilmesi için fizyolojik modellerin tasarlanması olacak.