Kök Hücre ve Biyomalzemeler Kullanılarak Yapılan Doku Mühendisliği Uygulamaları
Menşura Feray ÇOŞAR - Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen Edebiyat Fakültesi, İstanbul Teknik Üniversitesi
Zarar gören ya da kaybedilmiş, işlevini yerine getiremeyen vücut parçalarının yerine kullanılmak üzere in vitro ya da in vivo ortamda doku veya organların geliştirilmesi amacıyla yürütülen doku mühendisliği çalışmaları son yıllarda hız kazanmıştır. Kalp krizi, damar tıkanıklıkları, kıkırdak yapıları, omurilik zedelenmeleri vb pek çok durumda doku mühendisliğine başvurulmuştur. Doku ve organ hiyerarşisi; embriyonik kök hücre, yetişkin kök hücre, progenitör hücre vb hücre kaynağı, farklılaşmada görev alan büyüme faktörleri, kimyasal ilaçlar ve mekanik kuvvetler vb sinyaller, yapı dayanağı olarak kullanılan metaller, seramik ve sentetik polimerler vb hücre dışı matrisler parametrelerine bağlıdır.[1] Doku mühendisliği çalışmalarındaki en büyük etmenlerden biri olan biyomalzeme kullanımı, tasarlanmak istenen dokuya göre farklılık göstermektedir.
Şekil 1: Doku mühendisliği çalışmalarında kullanılan kök hücre,destek matriksi ve besin kombinasyonunu göstermektedir.[1]
Bir iskelenin ex vivo tohumlanması için organa özgü hücrelerin kullanılması doku mühendisliğinin temel stratejisini oluşturmaktadır. Deri dizaynı için yapılan çalışmalarda, kullanılan progenitör kök hücreler bir hiyerarşi içinde sıralanmakta ve yenilenme- farklılaşmış epidermis tabakası oluşturma niteliği taşıyan holoklonlar, meroklonlar ve paraklonlar gibi farklı kolonileri oluşturabilmektedir.[2] Çok katmanlı koloniler kaynaşabilir ve uygun bir epitel oluşturabilmektedir. Geçici amplifiye hücrelerden oluşan bir popülasyon olan meraklonlar veya yaşlanan popülasyon olan paraklonlarda olmayan rejenerasyon niteliği haloklonlarda mevcuttur. Haloklonlar 140’tan fazla kez kendini yenileyebilmektedir. Üretilmek istenen epidermal greftler için iskele üzerine konumlandırılan, küçük ama saf bir holoklon üreten hücre popülasyonu yeterlidir.[2,3] Epitelyal yüzeylerin düzenlenmesinde karşılaşılan temel zorluklar sırayla kültür koşullarının tanımından ve özel olarak tasarlanmış greftte yeterli bir kök hücre bölmesi sağlamak için taşıyıcılardan kaynaklanmaktadır. Yenilenmenin yapılabilmesi için kullanılan kök hücre bölmelerinde epitel yüzeylerinin bağımlılığı, amniyotik membran, limbustan elde edilen kök hücreler kullanılarak hasarlı korneaların başarılı bir şekilde yeniden yapılandırılması örneğinde de öne çıkmaktadır.[2]
Şekil 2: Deri için üretilen otogreftler, epidermal tabaka oluşturmakla beraber, holoklonları korumak için uygun koşullar altında keratin sentezleyen keratinositlerin kültürlenmesiyle üretilir. Elde edilen epidermal tabaka dermal fibroblastlar ile tohumlanmış biyo-mühendislik ürünü içeren bir dermal nitelikteki iskele üstüne yerleştirilir. Ex vivo oluşturulan bu tür iki boyutlu ürünler, organizma epidermisindeki yaraları tamamen yenileme kapasitesine sahiptir.[2]
Kemik iliği stromal kök hücreler veya mezenkimal kök hücreler (SSC’ler) yenilenme yeteneğine sahiptir ve kemik iliğinden türetilen hücrelerin alt kümesinde bulunur. Kültürde elde edilen SSC'ler, aktarımdan önce uygun taşıyıcılarla kompleks haline getirilmelidir. Nakledilen progenitör hücrelerin farklılaşıp bir kemik / ilik organı oluşturabileceği ve vasküler yatağın kurulabileceği üç boyutlu bir yapı iskelesi; uygun biyouyumluluk gösteren malzemelerle tasarlanmalıdır. Sentetik hidroksiapatit / trikalsiyum fosfatlar ve poliglikolik- polilaktik asitler gibi malzemelerin çoğu, tek başına veya kemik morfogenetik proteinleri gibi büyüme faktörleri ile birlikte kemik yenilenmesini desteklemektedir.[2]
Şekil 3: Kemik iliğinden çoğaltılan iskelet kök hücrelerinin çoğalmasının ardından hidroksiapatit / trikalsiyum fosfat seramiği parçacıkları gibi üç boyutlu iskelelere bağlanması işlemiyle oluşan kompleks yapıyı göstermektedir. Kompleks yapı kemiklerde bulunan segmental kusurlara aktarılabilir.[2]
Sadece polilaktik asit ya da hidroksiapatit kullanımı, spesifik bir uygulama alanın ihtiyaç duyduğu şartları yerine getirmekte zorlanmaktadır. Polilaktik asitler, doymuş poli-α-hidroksi esterleri olup yaygın olarak kullanılmaktadır. Polilaktid de denilen bu materyaller, poli laktik asit (D) (PDLA), polilaktik asid (L) (PLLA) ve D, L-PLA’nın (PDLLA) rasemik karışımı olmak üzere üç formda bulunmaktadır. Mısır, şeker, patates ve diğer tarımsal ürünler gibi yenilenebilir. kaynaklardan termoplastik alifatik polyester olan PLA üretilebilmektedir.[4]
Kas dokusu üzerine yapılan yapılaşmalarda, Chen ve arkadaşları kas hücrelerinde olan elektriksel etkileşimin bir benzeri olarak, polikaprolaktondan (PCL) veya PCL / PANI'den kompostlanan nanofiberleri, iskelet üzerindeki topografik ve elektriksel işaret etkilerini incelemek için harici bir manyetik alan gerçekleştirilerek rastgele veya hizalı bir yapıya dönüştürmeyi başarmışlardır. Jelatin-polianilin kompozit iletken nano elyaflar ise miyotüp olgunlaşmasını desteklemek için geliştirilmiştir. İletken anaoelyaf dizaynına eklenen PANI, iletkenliğini artırarak miyotüp oluşumu ve olgunlaşması önemli ölçüde arttırmıştır.[5]
Pek çok kök hücrenin iletken,polimer,nano malzeme üzerinde oluşturduğu kompleks dokulaşma ile yenilebilir, üzerine genetik müdahale yapılarak farklı tedavilerde de kullanılabilir yapılar elde edilebilmektedir. Yoğun olarak yanma başta olmak üzere pek çok cilt tedavisinde kullanılan doku mühendisliği ürünleri, kemik dokusu, kalp dokusu, kas ve kornea yapılandırılmasında da umut vaad edici bir yöntem olarak kullanılmaktadır.
Referanslar
Lanza, R., Langer, R., Vacanti, J., & Atala, A. (2020). PRINCIPLES OF TISSUE ENGINEERING, Elsiver Academic Press, (pp. 50-195).
Bianco, P., Robey, P. Stem cells in tissue engineering. Nature 414, 118–121 (2001). https://doi.org/10.1038/35102181
Li, Y., Zhang, J., Yue, J., Gou, X., & Wu, X. (2017). Epidermal Stem Cells in Skin Wound Healing. Advances in wound care, 6(9), 297–307. https://doi.org/10.1089/wound.2017.0728
Guarino, V., Causa, F., Taddei, P., di Foggia, M., Ciapetti, G., & Martini, D. et al. (2008). Polylactic acid fibre-reinforced polycaprolactone scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials, 29(27), 3662-3670. doi: 10.1016/j.biomaterials.2008.05.024
Dong, R., Ma, P., & Guo, B. (2020). Conductive biomaterials for muscle tissue engineering. Biomaterials, 229, 119584. doi: 10.1016/j.biomaterials.2019.119584