Yapay Organ Çalışmaları

Giriş

Organ ve doku yetersizliği insanoğlunun her dönem karşılaştığı sağlık sorunlarından biridir ve genellikle de donörlerden temin edilen organların nakli ile çözüme kavuşturulmaya çalışılır. Ancak, bitmek tükenmek bilmeyen uzun donör listeleri birçok hastanın hayatını tehlikeye atmaktadır ve bahsi geçen prosedür göründüğü kadar kolay olmamaktadır. Çünkü doku uyumluluğu sağlanmalı ve implante greftin akut reddi önlenmelidir. Bu doğrultuda son yıllarda yapılan çalışmalar ile, doku mühendisliği yardımıyla yapay doku ve organların geliştirilmesi bu sorunu çözmenin yollarından biri olarak gösterilmiştir.

Doku mühendisliği alanı birbirini tamamlayan üç ana başlıktan oluşmaktadır; sinyal molekülleri, hücreler ve iskelelerdir. İskele yapıları da kendi içinde doğal ve sentetik malzemelerden oluşan iskeleler olarak ikiye ayrılır. İskeleler doğal ya da sentetik olup olmaması önemli olmaksızın mekanik olarak kararlı, biyouyumlu, gözenekli, steril ve yeterli mukavemete sahip olmalıdır. Ancak hücre mikro çevresinin karmaşıklığının koruması asıl istenilen iskele yapısıdır ve sentetik yapılı iskelelerde birçok zorlukla karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenle, hücre dışı matris (ECM) üzerinde yapılan çalışmalar dünya çapında büyük artış göstermektedir.

Hücre dışı matris, hücrelerden yoksun, oldukça organize olan dokunun ana parçasıdır. ECM ana bileşenleri; kollojen, elastin, fibronektin, laminin, glikoprotein, proteoglikan ve glikosaminoglikandır. ECM hücrelere destek olmasının yanı sıra, hücresel büyüme, göç, farklılaşma, hayatta kalma, homeostaz ve morfogenez gibi birçok işleve aracılık eder. Aynı zamanda, doku oluşumu ve dinamik hücresel davranışın yeniden düzenlenmesi için hücrelerin rekombinasyonun da koruyucu ve destekleyici rollere sahiptir.

Son yıllarda yapılan çalışmalar ile doğal doku iskeleleri, hücresizleştirme teknolojisi ile elde edilmektedir. Sentetik malzemelerle hazırlanan doku iskeleleri yerine hücresizleştirilmiş doku matrislerinin kullanımı, ECM’nin biyomekanik, yapısal ve biyokimyasal özelliklerini korurken dokuların 3D doğal yapılarını taklit etme yeteneği nedeniyle kritik bir yere sahiptir. Hücresizleştirme işleminin birincil amaç, hücrelerin ve hücrelerin genetik materyalinin (DNA veya RNA gibi) ECM’den çıkarılmasının sağlamaktır.

Hücresizleştime sonucunda meydana gelen ECM, alıcının kendi kök hücreleri ile birleştirmesi ile kişiye özgü doku ve organ oluşturulması sağlanır. Doğal membran görevi gören bu ikili yapılı immünolojik ve trombojenik bir reaksiyon oluşmasını önlemektedir. Ayrıca, hücresizleştirme tüm organa ve çeşitli doku fragmanlarına uygulanabilir. Özellikle literatürde kalp, kan damarları, kıkırdak kemiği, yağ dokusu, ince bağırsak, göbek kordonu ve karaciğer ile ilgili birçok başarılı çalışma vardır. [1][2][3]

Hücresizleştirme işlemi olarak fiziksel, kimyasal ve enzimatik yöntemler esas alınarak gerçekleştirilir. Bu yöntemlerin her biri biyokimyasal bileşimi, dokunun ultra yapısını ve geri kalan hücre dışı matris (ECM) yapısının mekanik davranışını üzerinde etkilidir. Hücresizleştirme işlemi evrensel olarak kabul görmüş standartlar ile belirlenmektedir. Çeşitli histokimyasal boyama işlemleri kullanılarak hücre çekirdeğinin belirlenmesi, çift zincir DNA miktarı, hücre dışı matrisin mg’ı başına 50 ng’den azdır ve uzunluk çift sarmallı DNA’nın 200 bp’den az olması, ele alınan dokuyu hücresizleştirilmiş olarak değerlendirilir.[4] Hücresizleştirme prosedürü literatürde karşımıza bir çok farklı dokuda çıkmaktadır. Bunlardan bazıları;

 

Böbrek rahatsızlığı dünya çapında insanoğlunun mücadele ettiği en önemli rahatsızlıklardan bir tanesidir ve tedavisi böbrek nakli ile yapılabilmektedir. Nakil süresi boyunca hastalar diyaliz cihazına bağımlı olarak yaşamak zorundadırlar. Bu nedenle, bilim dünyasında doğal yapı fonksiyonlarını gösterebilen yapay böbrek üretimi önemliydi. En verimli çalışmalar hücresizleştirme yöntemi ile elde edilmiştir ve hücresizleştime prosedürü başta fare, domuz ve insan böbreği olmak üzere uygun deterjanların perfüzyonu ile böbreğin 3 boyutlu iskelet yapısı korunarak elde edilmiştir.

Hücresizleştirme prosedürünü yeniden hücrelendirme dediğimiz bir ileri adım takip etmektedir. Bu aşama hücresizleştirilmiş organa uygun fizyolojik şartlar altında epitel doku hücreleri ve endotelyum hücreleri ekilmiş ve yeniden hücrelendirilmiştir. Bu işlem sonucunda üre üretimi olmayan in vivo koşullarda organ elde edildiği gösterilmiştir. Bilim insanları yapılan bu çalışmayı bir sonraki adıma taşıyarak böbreği fareye nakletmişler ve sonrasında farenin dolaşımıyla yapay böbreğin etkileşimini sağlamışlar. İn vivo ortamda bir süre sonra yapay böbreğin üre ürettiği gözlemlenmiştir. [6]

Diğer bir yandan; kalp rahatsızlarının önemli derecede artış göstermesi ve kalp ameliyatlarının oldukça zor ve gerekli donörün de kısıtlı olması nedeni ile hücresizleştirme protokolü etkisini bu alanda da göstermiştir. Yapılan çalışmalar ile gerekli iyonik ve iyonik olmayan kimyasalların perfüzyonu ile hücresizleştimenin gerçekleştirebildiğini göstermiştir. Diğer bir yandan; özelliklede 2017 yılında Nature dergisinde yayınlanan hücresizleştirme makalesi ile yalnızca hayvan dokularının değil bitki dokularınında hücresizleştirebildiğini ortaya koymuştur.

Sonuç olarak; yukarıda da çeşitli örneklerle anlatılmaya çalışılan hücresizleştirme prosedürü ile, yapay organ çalışmaları hız ve önem kazanmıştır. Hücresizleştirme ile üretilen yapay organlar yalnızca yapay organ teknolojine katkılarından dolayı önemli değil aynı zamanda da organ reddi ihtimalinin yok olmasını; organın hastanın kendi kök hücreleri ile doldurulmasına olanak sağlayarak yapmasıyla da organ nakil için bekleyen hastalara umut dolu haberler sağlayabilecek ve hastalar nakil için organ beklemek zorunda bırakmayacaktır.

Kaynaklar:

1. Crapo PM, Gilbert TW, Badylak SF (2011) An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials
2. Gilbert TW, Sellaro TL, Badylak SF (2006) Decellularization of tissues and organs. Biomaterials
3. Katsimpoulas M, Morticelli L, Michalopoulos E, et al (2015) Investigation of the biomechanical integrity of decellularized rat abdominal aorta. Transplant Proc. https://doi.org/10.1016/j.transproceed.2014.11.061
4. Syazwani N, Azhim A, Morimoto Y, et al (2015) Decellularization of aorta tissue using sonication treatment as potential scaffold for vascular tissue engineering. J Med Biol Eng. https://doi.org/10.1007/s40846-015-0028-5
5. Vishwakarma SK, Bhavani PG, Bardia A, et al (2014) Preparation of natural three-dimensional goat kidney scaffold for the development of bioartificial organ. Indian J Nephrol. https://doi.org/10.4103/0971-4065.133008
6. Sullivan DC, Mirmalek-Sani SH, Deegan DB, et al (2012) Decellularization methods of porcine kidneys for whole organ engineering using a high-throughput system. Biomaterials. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2012.07.023
7. Zia S, Mozafari M, Natasha G, et al (2016) Hearts beating through decellularized scaffolds: whole-organ engineering for cardiac regeneration and transplantation. Crit. Rev. Biotechnol.
8. Gershlak JR, Hernandez S, Fontana G, et al (2017) Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds. Biomaterials. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2017.02.011

Görsel Kaynak: https://www.egesehirhastanesi.com.tr/kardiyoloji/

Editör: Berfin Sucu