Dokuları Taklit Etmek Mümkün Mü?
Nagihan Emeksiz – Yüksek Lisans Öğrencisi /Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mersin Üniversitesi
Türkiye organ nakli vakfı 2020 yılı verilerine göre toplam bekleyen hasta sayısı 25 bin 111 iken, toplam organ ve doku nakil sayısı 5 bin 473’tür.[1] Özellikle bu fark böbrek nakli için çok daha yüksektir ve hayati önem taşımaktadır. Bu rakamların sadece Türkiye için olduğunu düşünürsek dünyada organ nakli bekleyen binlerce hasta bulunmaktadır. Donör azlığının yanı sıra nakil için gerekli fizyolojik şartların bazı durumlarda yetersiz kalması, doku mühendisliğinin önemini giderek artırmıştır.
Doku Mühendisliği
İnsan vücudu hücrelerin, dokuların veya organların hasar görmesi gibi kritik durumunda kendi kedini onarabilme kontrolüne sahiptir. Yaş, yaralanma ve mevcut hastalıkların etkisiyle bu mekanizma bazı dokular üzerinde yavaşlar ya da tamamen etkisini kaybeder. Bu nedenle hasarlı organın daha sağlıklı bir organla değiştirilmesine yani organ nakline ihtiyaç duyulur. Fakat otoimmün denilen öz bağışıklık nedeniyle vücut, kendine ait olmayan antikorları tanır ve transfer edilen organı reddedebilir (graft rejection). Bu da yüksek oranda hastanın ölümüne yol açabilir. Doku mühendisliği, hasarlı doku veya organın yerine alıcının hücrelerini kullanarak laboratuvar koşullarında yeniden sağlıklı doku oluşturmaya yardımcı olur böylece organ ve doku naklinin getirdiği dezavantajların üstesinden gelinebilmektedir.[2]
Hücre Dışı Matris (ECM)
İnsan vücudu sistemler, organlar, dokular, hücreler ve hücre dışı matris olmak üzere hiyerarşik bir yapıdan oluşmaktadır. (Şekil 1) Hücreler arası alanı dolduran ve hücreleri kafes gibi saran organik moleküllerden oluşmuş bir matris yapı mevcuttur. Hücreler tarafından sentezlenen fibronektin, kollajen ve proteoglikanlar bir ağ yapısı oluştururlar. (Şekil 2) Hücre dışı matris (ECM) olarak adlandırılan bu yapı, hücreler arası fiziksel ve biyokimyasal etkileşimlerin gerçekleşmesine, hücrenin besin akışına ve mekanik desteğine olanak sağlamaktadır. Böylece büyüme, farklılaşma, göç ve protein sentezi gibi hücresel işlevler gerçekleşmektedir.[3]
Şekil 1: Kemik dokusunun hiyerarşik organizasyonu (a) kemik (b) kemik dokusunun yapı birimi olan osteonlar (c) kemik hücresi osteositler ve hücre dışı matris (d) hücre dışı matrisi çevreleyen nanoyapılar.[4]
Doku İskelesi
Doku oluşum süreci, hastadan alınan hücre kültürünün doku iskelesine ekilmesi ve gerekli biyolojik koşulların sağlanmasıyla başlar. Yeterli hücre oluşumu sağlandıktan sonra biyobozunur olan doku iskelesi vücuda implante edilir.(Şekil 3) Doku mühendisliği uygulamalarında iskelenin biyolojik ve yapısal özelliklerinin rolü büyüktür. Doku iskelesinin hücre büyümesi, yapışması, farklılaşması ve göçüne izin verecek şekilde tasarlanması gerekmektedir. Hücre dışı matris (ECM), hücrelerin bulunduğu fiziksel ve fonksiyonel mikro çevreyi sağlar. Bu nedenle doku mühendisliğinin amacı hem yapı hem de işlev açısından hedef dokuların ECM mimarisini mümkün olduğunca taklit eden bir doku iskelesi tasarlamaktadır.[6]
Doku iskelelerini oluşturacak biyomalzemenin seçimi çok önemlidir. Anatomik bölgelere bağlı olarak doğal doku yapısını temsil eden tokluk, sertlik ve elastikiyet gibi mekanik özellikler göstermesi, biyouyumlu ve biyobozunur olması kullanılacak malzemeden beklenen en temel özelliklerdir. Doku iskeleleri herhangi bir immünolojik tepkiye neden olmaması için doku ve iskele biyolojik olarak uyumlu olması gerekmektedir. Kullanılan malzemenin toksik etki göstermesi doku iskelesi için en önemli sorundur. Böyle bir durumda bağışıklık reaksiyonları hücre oluşumunu engellemeye ya da implantın vücut tarafından reddedilmesine neden olur.[8] Doku mühendisliği için kullanılan iskelenin rolü geçicidir bu yüzden oksijen ve besin transferini sağlayacak olan mikrovasküler ağ yapısı oluştukça görevini tamamlayıp biyolojik olarak bozunması gerekmektedir. Buradaki en önemli faktör ise malzemenin bozulma rejenerasyon işlemi sırasında hücrelerin büyüme hızı için ideal olmalıdır. Erken bozunma gösteren iskele hücre oluşumu için gerekli zamanı veremeyecektir.[9]
Nanoteknolojinin Doku Mühendisliğindeki Yeri
Hücreler 10 mikrondan (1 μm=1000 nanometre) daha büyük boyuttadırlar ve dokunun işlevsel birimlerini oluşturmak için hücresel boyutun altında nanoyapılar gerekmektedir. Bu yüzden doku oluşumunu amaçlayan, hücrenin bağlanması, çoğalması ve büyümesi için nanoteknoloji ve nanomalzemeler devreye girer.[10]
Yüksek “yüzey/hacim” oranına sahip olan nanolifli doku iskeleleri hücrenin yapışması, çoğalması, göç ve farklılaşması gibi doku mühendisliğinin istenilen temel prensiplerini destekler. Elektro eğirme, makro ve nano boyutlarda polimer liflerin elde edilmesinde sık kullanılan bir yöntemdir. Liao ve arkadaşlarının yapmış oldukları çalışmada doğal kemik ECM yapısını taklit etmek için kollajen ve poli (laktik-ko-glikolik asit) (PLGA) polimerlerini elektro eğirme yöntemi (elektrospin) kullanarak nanolifli iskeleler elde edilmiştir. Sonuçlar, nanolifli yapıların kemik dokusu oluşumu için gerekli olan mineralizasyonu desteklediğini göstermektedir.[11]
Şekil 4: Nano-fibröz kemik doku iskele sisteminin SEM görüntüsü (a) elektrospin kollajen (fiber yarıçapı 353.8nm), (b) mineralize elektrospin kollajen, (c) elektrospin PLGA (fiber yarıçapı 320 nm), (d) mineralize elektrospin PLGA (fiber yarıçapı 320 nm), (e) elektrospun PLGA (fiber yarıçapı 97.3 nm), (f) mineralize elektrospun PLGA (fiber yarıçapı 97.3 nm).[11]
Doku mühendisliği kemik, kıkırdak, sinir, kalp ve deri gibi birçok farklı doku ve organ rejenerasyonu için birbirinden farklı özelliklere sahip doku iskeleleri tasarlamaktadır. Nanoparçacıklar sahip olduğu fiziksel ve mekanik özellikleriyle doku iskelelerinde kullanılmaktadır. Örneğin bir sinir hücresi için gerekli olan doku iskelesinde elektrik iletkenliği sağlayabilecek grafen nanoyapıları kullanılabilmektedir.[12] Bazı kemik ve kıkırdak gibi sert dokular için kullanılacak doku iskelerinde bor nanoparçacıkları eklenerek mekanik iyileştirme yapılabilmektedir.[13]
Kalsiyum fosfat içerikli bioseramikler (HA, TCP), kitosan ve kollajen gibi doğal polimerler hücre oluşumunu destekleyen biyoaktif rollere sahiptirler ve doku iskelerinde, nanokompozit yapılar halinde bulunmaktadırlar. Kitosan biyobozunur doğal bir polimerdir ve doku iskele çalışmalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Hücre dışı matrisin ana bileşenlerinden olan glikozaminoglikan polisakkaritler, kitosanın yapısıyla benzerlik gösterirler.[14] Bu da kitosan bazlı iskelelere hücre büyüme faktörlerini etkileme yeteneği verir. Yapay deri ve yara onarımı uygulamalarında kitosan kullanımı epidermal membran tabakasında bulunan Kollajen IV ve TGF-β2 oluşumunu destekler ve iyi bir doku rejenerasyonunu teşvik eder.[15] Beklenen performansın sağlanmasındaki bir diğer nokta ise doku iskelelerin gözenek yapısıdır. Doku iskelelerinde nanogözenekli yapılar hücrelerin iskeleye yapışması, kolayca çoğalmasını ve besin geçişlerinin sağlanması oldukça önemlidir. Çalışmalar kitosanın doku iskelelerinde gözenekliliğini artırdığını göstermektedir.[16]
Biyouyumlu malzemelerin keşfi ve gelişen nanoteknoloji ile birlikte doku mühendisliğinde yapılan çalışmalar giderek hız kazanmıştır. Özellikle organ transplantasyonunda ortaya çıkan donör azlığı ve immün cevap oluşumu gibi sınırlayıcı etmenlerden kaynaklanan sorunların doku mühendisliği ile ortadan kaldırılması amaçlanmıştır. Hücre dışı matrisi taklit edebilen ve hücre büyümesini sağlayan doku iskeleleri üzerindeki çalışmalar artmaktadır.
Referanslar
İstatistikler. (2020) 24 Ocak 2020 tarihinde https://www.tonv.org.tr/ adresinden erişildi.
Maheshwari, N., Tekade, M., Chourasiya, Y., Sharma, M., Deb, P. and Tekade, R., (2019). Nanotechnology in Tissue Engineering, Biomaterials and Bionanotechnology, s.225-261. doi: 10.1016/B978-0-12-814427-5.00007-X
Frantz, C., Stewart K., M., Weaver, V., M., (2010). The extracellular matrix at a glance, Journal of Cell Science, 123(24) s.4195-4200. doi:10.1242/jcs.023820
Stevens, M., M. (2008). Biomaterials for bone tissue engineering, Materials Today. 11(5) ss.18-25, doi: 10.1016/S1369-7021(08)70086-5
Zhu, J., Marchant, R., E. (2011). Design properties of hydrogel tissue-engineering scaffolds, Expert Review of Medical Devices, 8(5) s. 607-626 doi: 10.1586/ERD.11.27
Akhyari, P., Kamiya, H., Haverich, A., Karck, M. and Lichtenberg, A., (2008). Myocardial tissue engineering: the extracellular matrix, European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 34(2), s.229-241 doi: 10.1016/j.ejcts.2008.03.062
Serbo, J., V., Gerecht, S., (2013) Vascular tissue engineering: biodegradable scaff old platforms to promote angiogenesis, Stem Cell Research & Therapy, 4(8).
Kim, Y., Ko, H., Kwon, I. and Shin, K., (2016). Extracellular Matrix Revisited: Roles in Tissue Engineering, International Neurourology Journal, 20(1), s.23-29 doi: 10.5213/inj.1632600.318
Chan, B., P., Leong, K., W., (2008) Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. Eur Spine J.17(4) s.467-79 doi: 10.1007/s00586-008-0745-3
Kingsley, J.D., Ranjan, S., Dasgupta, N., Saha,P., (2013). Nanotechnology for tissue engineering: Need, techniques and applications, Journal Of Pharmacy Research, 7(2), s.200-204 doi: 10.1016/j.jopr.2013.02.021.
Lıao, S., Murugan, R., Chan, C. And Ramakrıshna, S., (2008). Processing nanoengineered scaffolds through electrospinning and mineralization suitable for biomimetic bone tissue engineering, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 1(3), s.252-260 doi: 10.1016/j.jmbbm.2008.01.007
Geetha Bai, R., Muthoosamy, K., Manickam, S. and Hilal-Alnaqbi, A., (2019). Graphene-based 3D scaffolds in tissue engineering: fabrication, applications, and future scope in liver tissue engineering, International Journal of Nanomedicine, s.5753-5783 doi: 10.2147/IJN.S192779
Tunçay, E., Ö., Demirtaş, T., T., Gümüşderelioğlu, M., (2017) Microwave-induced production of boron-doped HAp (B-HAp) and B-HAp coated composite scaffolds, Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, 40, s. 72-81 doi: 10.1016/j.jtemb.2016.12.005
Wang, Y., H., Young, T. H., Wang, T., J., (2019). Investigating the effect of chitosan/ polycaprolactone blends in differentiation of corneal endothelial cells and extracellular matrix compositions, Experimental Eye Research, 185.
Boucard, N., Viton, C., Agay, D., Mari, E., Roger, T., Chancerelle, Y., Domard, A., (2007). The use of physical hydrogels of chitosan for skin regeneration following third-degree burns, Biomaterials, 28, s. 3478–3488.
Kavya, K., Jayakumar, R., Nair, S., Chennazhi, K., P., (2013). Fabrication and characterization of chitosan/gelatin/nSiO2 composite scaffold for bone tissue engineering, International Journal of Biological Macromolecules, 59, s. 255-263.