Çok eski zamanlarda insan hayatı için en büyük tehlike vahşi hayvan­lar ya da doğal afetlerdi. Vahşi ke­dilerden kurtulmayı başarabilenler, bazen aşırı soğuklara bazen de aşı­rı sıcaklara yeniliyorlardı. Değişen doğa koşullarına bağlı olarak yiye­cek sıkıntısı çeken insan, zamanı­nın çoğunu yiyecek bulmak için mücadeleye ayırıyordu. İlk insanın en temel düşüncesi hayatta kalabil­mek ve neslini devam ettirebilmek­ti. Günümüzde, ilk insanın çektiği sıkıntıların çoğu bize çok uzak ge­lebilir. Ancak insanın temel düşün­cesi, çok fazla değişikliğe uğramış görünmüyor; yani mümkün oldu­ğunca hayatta kalabilmek ve türünü devam ettirmek. Bütün bu çabalar belki de insanın ölümsüzlüğe ulaş­mak için verdiği bilinçaltı bir müca­deleyi yansıtıyor. Vahşi hayvanlar, doğal afetler halen can almaya de­vam etse de, günümüzde insan öm­rünü kısaltan en önemli unsurlar yaşlanma, kronik hastalıklar, organ yetmezlikleri ve kanser. Bunlara ek olarak insanın kendi yarattığı tek­noloji de bazen can düşmanı olarak karşısına çıkabilmekte. Son yıllarda bilimdeki tüm ilerleme­lere karşın birçok hastalığın kesin çözümü bulunamadı. Milyonlarca yıllık insanlık tarihinde oldukça kı­sa sayılabilecek 100 yıl öncesiyle kıyaslandığında bile, insan ömrün­de önemli bir uzama sağlandı. An­cak halen bilimin hedeflediği nokta­dan oldukça gerideyiz. Telomerlerin her hücre bölünmesinde kısalması, belirli bir bölünmeden sonra hücre­lerin durması ve programlanmış hücre ölümü, insan ömrünü belirle­yen moleküler saatlerce
denetleniyor. Moleküler biyoloji ve gen mühendisliğinde yapılan tüm ilerlemelere karşın organların yaş­lanması engellenemiyor. Hiçbir has­talığa yakalanmasa bile organlar, başta beyin olmak üzere zaman içinde işlevlerini yitirerek ölüyorlar. Bu tür doğal hücresel değişikliklere hastalıklar eklendiğinde vücudumu­zun işi oldukça zorlaşıyor. Kronik böbrek hastalıkları, kalp yetmezlik­leri ve çeşitli nörolojik hastalıklar insan ömrünü kısaltan nedenlerin yalnızca birkaçı. Organ yetmezlikle­ri ya da kanser gibi hastalıkların te­meline inilerek nedene yönelik te­davi verilmesi, diğer hedeflerden biri. Ancak, birçok hastalığın nedeninin bilinmemesi ya da mey-
dana gelen hücresel değişikliklerin geri dönüşünün olmaması, bu tür tedavileri kısıtlayan unsurlar. Bazı hastalıklar, organ tümüyle işlevini yitirene kadar anlaşılmayabiliyör. Bu gibi durumlarda ilaç tedavisi ye­tersiz kalıyor ve organın değişmesi tek çözüm haline geliyor. Bazı kan­ser türlerinde genetik tedavi yön­temleri deneysel aşamada oldukça başarılı sonuçlar verse de, her kan­ser türünde genetik tedavi yaralı ol­muyor. Birçok kanserdeyse genetik neden saptanabilmiş değil. Organla­rın işlevlerini yitirmesine ya da öl­mesine neden olan kanser türleri­nin bir kısmında, organın değişme­si hayat kurtarabiliyor. Bazı karaci­ğer kanserlerinde olduğu gibi. İlaç
BİLİM ve TEKNİK 2 nisan 2004
tedavilerinin yetersiz kaldığı durum­larda eskiyen ya da hastalanan or­ganları yenileriyle değiştirmek, eski Mısırlılar zamanından beri var olan bir düşünce. Yaklaşık 50 yıl önce Dr. Murray'in ilk başarılı böbrek naklini yapmasından sonra, organ nakilleri hastalıkları iyileştirmede insanın en önemli umudu haline geldi. Doku uyuşmazlığına bağlı olarak organın reddi, her an uygun verici bulunamaması ve nakil sonra­sında kullanılan ilaçların ciddi yan etkileri, bu tedavi şeklinin önünde­ki en büyük engeller. Genetik bilimindeki gelişmelere pa­ralel olarak son yıllarda doku ve gen mühendisliğinde önemli geliş­meler kaydedildi. Artık hücrelerin genetik yapısında değişiklikler yara­tılabiliyor, gen transferi sayesinde bakterilere insan proteinleri sentez-letilebiliyor. Bu teknolojiler, yalnızca hastalıkları tedavi etmek amaçlı değil. Tarım sektöründe de gen mühendisliğinden yaralanılıyor. Bazı bitkiler, genetik yapıları değiş­tirilerek, bozulmaya ya da böcekle­re karşı daha dirençli hale getirilebiliyorlar. Elde edilen ürü­nün daha verimli ve daha besleyici olması sağlanabiliyor. Gen ve doku mühendisliği sayesin­de, çeşitli organik moleküller kulla­narak istenilen hücre türünü labo-ratuvar koşullarında üretmek de ar­tık mümkün. Hasarlı dokulara veri­len büyüme faktörleri, sağlıklı hüc­relerin çoğalarak ölü hücrelerin ye­rini almalarını sağlayabiliyor. Büyü­me faktörlerini enjekte etmek yeri­ne sağlam hücreleri hasarlı bölgeye göndermek de diğer bir yöntem. Yapay olarak üretilen hücrelerin vü-
cuda naklinden sonra, bu hücreler hasarlı hücrelerin yerini alabiliyor. Yapay hücrelerin hasarlı bölgeye ulaşarak çoğalmaları ve normal iş­levlerine kavuşması için belirli bir zaman dilimine gerek oluyor. Bu tür tedavi yöntemleri, işlevini yitir­miş hücrelerin tedavisi için önemli bir umut kaynağı; ancak organın tümünün bu şekilde yenilenmesi, henüz başarılabilmiş değil. Halen üzerinde yoğun olarak çalışı­lan tedavi yöntemlerinden biri de, kök hücrelerden üretilen doku hüc­relerinin nakli. Tüm hücre türlerine dönüşme potansiyelinde olan kök hücrelerden, belirli büyüme hor­monları kullanılarak istenilen hücre türü elde edilebiliyor. Laboratuvar ortamında elde edilen bu hücreler oldukça hızlı çoğalma kapasitesine sahip. Bu hücreler hastalıklı organa ulaştırılarak, işlevini yitirmiş ya da ölmüş olan hücrelerin yerini alma­ları sağlanabiliyor. Ancak, tümüyle ölen ya da işlevini yitiren organla­rın, kök hücreleri kullanılarak tü­müyle yeniden canlandırılması ko­lay görünmüyor. Kültür ortamında üretilen sinir ya da kalp kası hücre­leri vücuda nakledildiklerinde, kısa sürede hastalıklı bölgeye giderek işlevini yitirmiş olan hücrelerin yeri­ni alıyorlar. Bu sayede zedelenmiş sinirler, ya da ölü kalp hücreleri ye­nileriyle değiştirilmiş oluyor. Gen mühendisleri laboratuvarlarda yalnızca hücre üretmekle kalmayıp, organın benzerini de üretmeye çalı­şıyorlar. Deneysel koşullarda artık yapay olarak 3 boyutlu organlar oluşturulabiliyor. Tüm organlar he­nüz üretilemese de, çalışmaların öncül sonuçları oldukça umut veri-
ci. Deri ve kıkırdak gibi dokuların yapay olarak üretilmelerinde önem­li ilerlemeler kaydedildi. Birkaç mi­limetre kalınlığındaki dokuların oluşturulması ve yaşatılması, artık teknik olarak çok güç değil. Bu in­celikteki dokuların, yaşamak için kan damarlarına ihtiyacı olmuyor. Besin maddeleri hücreler arasından sızarak diğer hücrelere ulaşabiliyor. Ancak daha kalın doku ya da organ yaratmak için yapay olarak kan da­marlarını da oluşturmak gerekiyor.' Son yılarda bilim adamları yapay damar üretiminde de oldukça önemli başarılar elde etti. Organ yetmezliklerine bağlı kronik hastalığı olan milyonlarca insan, nakil için organ sırasında bekliyor. Nakil sırasında bekleyen hastaların ihtiyacına yanıt verebilecek sayıda organ mevcut değil. Gen ve doku mühendisliğindeki gelişmeler, or­gan kaynağının karşılanması açısın­dan oldukça ümit verici. Yapay ola­rak geliştirilen organlar, istenildi­ğinde ihtiyacı olan hastaya takılabi-lecek. Belki de önümüzdeki 20-30 yıl içinde istediğimiz organı yenisiy­le değiştirebileceğiz. Organlarımız eskidikçe yenilenecek, böylece or­gan yetmezliğine bağlı ölümler en­gellenebilecek. Tabii bu tür düşün­celer henüz tam olarak hayata geçi-rilebilmiş değil. Hücrelerin genetik yapılan, kontrol mekanizmaları ve tüm yapıtaşlarının işlevleri tam ola­rak bilinmiyor. Ancak teknoloji ve genetik bilimindeki gelişmeler saye­sinde bilinmeyen soruların yanıtları hızla bulunuyor. Yakında her türlü organ ve dokuların üretildiği çiftlik­ler oluşturularak, insan ömrü bir­kaç kat daha uzatılabilecek.
Nisan 2004 3 BİLİM ve TEKNİK
Yapay organ ya da dokular oluşturmak doku mühendisliğinin en önemli hedefleri arasında. Bu hedefe ulaşmak için kullanılan birçok strateji var. Bunlardan biri, organı insan vücudunda yenile­mek. Yani, hastalanan organı çıkartıp yenisiyle değiştirmek yerine, mevcut organı olduğu yerde yenileyip tedavi etmek. Vücuda verilen bazı mo­leküller sayesinde organlarda hücre bölünmesini ve çoğalmasını sağlamak mümkün. "Büyüme fak­törü" denen ve çok sayıda olan bu protein yapıdaki moleküller, insan vücudunda doğal ola­rak bulunuyor ve hücreler tarafından sentezleniyorlar. Her birinin ayrı bir görevi var. Hücreler tarafından sentezlenen ve protein yapı­sındaki bu moleküllerin her birinin ayrı görevi var. Bazı büyüme faktörleri deri hücrelerinin ço­ğalmasını sağlarken diğerleri yeni damar oluşu­munu hızlandırıyor. Vücut dışında yapay olarak elde edilen büyüme faktörleri hastalıklı organlar­daki hücrelerin yenileriyle değiştirilmesinde gö­rev yapabiliyor. Hedefe yönelik büyüme faktörü vücuda verildiğinde, görev yapacağı organa gide­rek gerekli hücreler tarafından algılanıyor. Hücre yüzeyindeki özel almaçlara yapışarak bu hücrele­ri harekete geçiriyor. Hücrelerin bölünme ve ço­ğalmasını tetikleyen bu moleküller sayesinde, hasta organdaki sağlıklı hücrelerin sayısı artarak diğer hücrelerin yerini alıyor, yani organı yenile­meye başlıyor. Bu teknolojiyle, hasara uğramış olan kas hücrelerini yenilemek mümkün olabili­yor. Henüz deneysel aşamada olan bu yöntemi geliştirerek, büyüme faktörleri sayesinde vücutta­ki hücreleri dışarıdan yönetmek mümkün olabile­cek.
Doku mühendisliğinde üzerinde çalışılan te­davi yöntemlerinden bir diğeriyse, laboratuvar koşullarında sağlıklı hücreleri üretip sonra da bunları vücuda vermek. Kişiden alınan hücreler özel deney ortamlarında, çeşitli büyüme faktörle­ri kullanılarak istenilen şekilde çoğaltılabili-yorlar. Daha da ileri gidilerek, hücrelerin genetik
yapısı değiştirilebiliyor. Böylece hastalıklı bir hücre adeta ameliyat ediliyor. Vücut dışında üre­tilen sağlıklı hücreler belirli bir sayıda çoğaltıldık­tan sonra vücuda tekrar geri veriliyorlar. Bu hüc­reler, ait oldukları organa ya da bölgeye giderek yerlerini alıyor. Organa tutunduktan sonra bura­da hızla çoğalan hücreler, kısa bir sürede görev yapmaya başlıyorlar. Sağlıklı hücrelerin sayısı arttıkça hastalıklı hücrelerin yerini alıyor ve böy­lece organ yenileniyor. Bu tür tedaviler deneme aşamasında olsa da, elde edilen başarılar olduk­ça göz doldurucu. Bilim adamları deney ortamın­da yaratılan hasarlı kalp kasını ya da zedelenmiş
sinirleri bu yöntemle iyileştirebiliyorlar. Son yıl­larda bu amaçla kök hücreler kullanılıyor. Deney ortamında çoğaltılması daha kolay olan bu hücre­ler, istenilen hücre türüne de dönüştürülebiliyor. Erkek sperm ve kadın yumurta hücresinin birleş­mesiyle meydana gelen embriyodan ilk 4 gün içinde alınan hücreler, vücuttaki tüm hücreleri oluşturabilme kapasitesine sahip. Bu hücreler ge­rekli sinyaller verilerek kalp kası, sinir ya da de­ri hücresine dönüştürülebiliyorlar. Kök hücreleri­nin içine transfer edilen, kişiye ait DNA sayesin­de benzer genetik şifreye sahip hücreler elde edi­lebiliyor. Diğer bir deyişle, genetik şifresi değiş-
Organa Şekil Veren Gen
Genetik ve moleküler biyoloji alanındaki tüm ilerlemelere karşın henüz hücrelerin nasıl olup da üç boyutlu bir yapı oluşturduklarını bilmiyo­ruz. Hücreler vücut dışarısına çıkartılıp yapay olarak çoğaltıldıklarında belirli bir mesafeye, ge­nellikle içinde bulundukları kabın sınırlarına ka­dar ilerleyip duruyorlar. Hücre yapısında değişik­likler yapılarak sınırsız büyümeleri bile sağlana­biliyor. Ancak bu hücreler, ait oldukları organın üç boyutlu şeklini deney tüpünde alamıyorlar. İn­san karaciğerinin bir kısmı kesilerek çıkartıldı­ğında geri kalan hücreler çoğalarak ilerliyor. Bu hücre artışı organın orijinal şekli oluşana kadar devam ediyor. Daha güncel bir örnek vermek ge­rekirse, parmağımız kesilip küçük bir deri parça­sı kalktığında birkaç gün içerisinde diğer hücre­ler çoğalarak kaybolan hücrelerin yerini almaya başlar. Yara iyileşmesi olarak adlandırılan bu sü­reç, parmak eski şeklini alana kadar devam eder. Hücrelerin üç boyutlu şekil almasını sağla­yan kontrol mekanizması genetik şifrede saklı. Bilim adamları bu şifreyi çözme yönünde önemli bir adım attı. Küçük bir kurtçuk olan C. elegans üzerinde yapılan çalışmalarda, hayvanın üreme
organlarını şekillendiren gen bulundu. "GON-1" adı verilen bu gen C. elegans'm karmaşık yapı­daki üreme organlarının oluşumunu ve şekillen­mesini kontrol ediyor. Kurtçuğun üreme organla­rının oluşumu, ilk olarak dört hücrenin bir araya gelmesiyle başlıyor. Bu hücreler "lider hücre" Önderliğinde şekillenmeye başlıyorlar. Hücre ço­ğalmasını takiben, üreme organı "U" şeklindeki üç boyutlu halini alıyor. Bu şekillendirmeyi yöne­ten esas protein "GON-1". Bu protein ve onu kontrol eden genin keşfi, organ şekillerinin olu­şumunu anlamak yolunda çok önemli bîr basa­mak olarak kabul ediliyor. 6u tür genlerin ve kodladıkları proteinlerin anlaşılması sayesinde, belki de çok yakın bir gelecekte hücre kültürle­rinde üretilen hücrelerin Üç boyutlu şekiller ka­zanmaları sağlanabilecek. Bu tür gen ve protein­lerin, yalnızca organa şekil vermekle kalmayıp kanser hücrelerinin tümör kitlesi oluşturmasında da etkili olduğu düşünülüyor. Bu genin baskılan-ması ya da kodladığı proteinin bloke edilmesiyle, kanser hücrelerinin büyük kitleler oluşturması da engellenebilecek.
BİLİMveTEKNİK 4 Nisan 2004
ORGAN OLUŞTURMAK
tirilerek kişiye özel hücre yapılabiliyor. Bu tür hücreler vücuda nakledildikten sonra bağışıklık sistemi engeline de takılmıyorlar. Nakillerden sonra vücudun bağışıklık sisteminin harekete geçmesi, organın ömrünü kısıtlayan en önemli et­ken. Kendi genetik yapısından farklı olan tüm hücrelere karşı savaş açan vücut, genellikle sava­şı kazanıyor ve organ er ya da geç reddediliyor. Ancak gen transferi yapılmış olan kök hücreler­den üretilen diğer hücreler kişinin kendi genetik şifresini taşıdığı için vücut tarafından reddedilmi­yorlar. Bu tür hücrelerin nakli sayesinde hastalık­lı organlardaki ölü hücreler, yenileriyle değiştiri-lebiliyor. Bu tedavi yöntemleri de henüz günlük klinik uygulamaya geçirilmiş değil. Hücre nakli yöntemi her hastalığa uygulanamıyor. Karaciğeri çalışmayan ya da kalp yetmezliğindeki bir hasta­ya bu tür tedaviler pratikte yarar sağlamayabilir. Vücut dışında üretilen hücrelerin vücutta çoğalıp hastalıklı hücrelerin yerini almaları, belirli bir za­man süreci gerektirir. Bu tür hastalarınsa genel­likle fazla zamanı olmayabilir. Bu durumlarda çok daha hızlı sonuç verecek tedavi yöntemleri gerekebilir. En önemli yöntem, organın tümüyle değiştirilmesi. Organ nakillerinden sonra bağışık­lık sisteminin harekete geçmesine bağlı gelişen red cevabı hala büyük sorun olmaya devam edi­yor. Organ verici sayısındaki kısıtlılık da buna ek­lendiğinde, yapay organ oluşturmak en önemli hedeflerden biri haline geldi.
Son yıllarda yapılan çalışmalar, üç boyutlu or­gan oluşturma yönünde. Halen hücrelerin kendi kendilerine nasıl üç boyutlu organ oluşturabildik-leri bilinmiyor. Test tüpünde hücrelere gerekli sinyalleri vererek bir kalp elde etmek ya da kara­ciğer oluşturmak henüz başarılabilmiş değil. Ya­ni hücreler, test tüpünde vücutta olduklarından farklı davranıyorlar. Hücrelerin üç boyutlu şekil almalarının ardındaki sır perdeleri aralanmakla birlikte, henüz mekanizma anlaşılabilmiş değil. Yapay organ üretmek için yalnızca hücreleri ço­ğaltmak yeterli olmuyor. Onlara organın şeklini vermek de önemli. Bunun için en sık kullanılan yöntemse organik iskeletlerden yararlanmayı içeriyor. Vücut içinde hücreleri bir arada tutan en önemli molekül "kollagen". Hücreler arasında bulunan bu ve benzeri yapıtaşları sayesinde, hüc­reler üç boyutlu organ ya da doku şeklini koruyabiliyorlar. Kollagen, özellikle cilt, kıkır­dak, damar ve kemik gibi dokularda bol miktar­da var ve insan vücudundaki tüm proteinlerin yaklaşık %30'unu oluşturuyor. Bu gözlemden yo­la çıkan bilim adamları, hücreleri bir arada tuta­bilecek yapay iskeletler oluşturdular. İstenilen şe­kilde oluşturulan bu iskeletin yapıtaşları sentetik ya da doğal polimerler. Belirli bir süre sonra ken­diliğinden eriyerek kaybolan bu malzemeler hüc­relerin yerleşip çoğalmaları için oldukça uygun bir ortam sağlıyor. Hücre iskeletlerinin yapıtaşla­rı, aynı zamanda ameliyatlarda kullanılan dikişle­rin yapı maddesiyle benzer: polilaktik asit ya da poliglikolik asit. Vücut içinde eriyerek zamanla kaybolan bu iskeletler içine çeşitli büyüme fak-
Yapay Doku Oluşumunda Baskı Tekniği
Bilgisayarda doküman ya da şekilleri yazdır­mak için kullanılan ink-jet yazıcıların baskı ilkesi, üç boyutlu organ oluşumu için de geçerli. Bilgisa­yar yazıcısı, kartuş içindeki mürekkebi kağıt üze­rine belirli bir sırayla püskürtür. Mürekkep püs­kürtülen noktalar ve boşluklar birleştiğindeyse ya­zılar ve iki boyutlu şekiller ortaya çıkar. Aynı ilke, dokuları oluşturmada da sözkonusu. Kartuş içine mürekkep değil, hücreler yerleştiriliyor. Renkli ya­zıcılarda olduğu gibi değişik renkler içeren kartuş­ların yerini, içinde değişik hücre tipleri bulunan kartuşlar alabiliyor. Bilgisayar ortamında üç bo­yutlu resmi çizilen organa ilişkin bilgiler yazıcıya yollanıyor. Bilgisayar, organın seri kesitsel görün­tülerini çıkartıyor. Bu bilgiler eşliğinde baskı baş­latılıyor. Yazıcı, mürekkep yerine hücre püskürtü­yor. Her hücrenin nereye püskürtüleceği, organın şekline göre önceden programlanmış oluyor. Ka­ğıt yerine de organik ve kendiliğinden eriyebilen bir maddeden oluşmuş ince plakalar kullanılıyor.
törleri de yerleştirilebiliyor. Hücre iskeletlerinin yapıtaşı olarak kollagen de kullanılabiliyor. Hüc­relerin büyümesi ve şekillenmesi için daha uygun bir ortam oluşturduğu düşünülen kollagen, oluşa­cak olan üç boyutlu organın sağlamlığını belirle­yici bir etken. İskelet üzerindeki büyüme faktör­leri, hücrelerin daha hızlı çoğalmalarını sağlıyor. Yapı iskeletlerinin jel kıvamında olanları, ra­hatlıkla vücut içine enjekte edilebiliyor. Enjekte edilen bu jeller, vücut içinde, doku hasarının ol­duğu bölgede sağlıklı hücrelerin çoğalması için uygun ortamı sağlıyor. Hasar görmüş kemiğin ye­niden oluşumunu sağlamak ya da yeni kıkırdak dokusunun oluşmasına yardımcı olmak, bu tür jellerin kullanım amaçları arasında. Sağlıklı hüc­reler belirli bir sayıya ulaştığındaysa jel eriyerek kayboluyor. Üç boyutlu katı kıvamdaki iskelet-lerse daha büyük organların oluşturulmasında kullanılıyorlar. İstenilen şekilde oluşturulan bu is­keletler üzerine yerleştirilen hücreler, zamanla çoğalarak iskeletin tamamını kaplıyorlar. Hücre­ler çoğaldıktan sonra, iskelet yüzeyinin şeklini alıyorlar. Bir süre sonra da iskelet eriyip kaybo­luyor. Böylece hücreler üç boyutlu bir şekil alı­yor. Hücrelerin ne şekilde çoğalacağı ve ne hüc­resi olacağı çeşitli büyüme faktörleriyle kontrol edilebiliyor. Ancak son yıllarda iskeletler üzerine yerleştirilen DNA parçacıkları sayesinde, çok da­ha başarılı sonuçlar almıyor. Büyüme faktörüyle yönlendirmek yerine esas olarak genetik şifreyi kontrol etmek, çok daha iyi sonuç verebiliyor. İs­kelet üzerinde bulunan DNA parçacıkları hücreler tarafından içeri alınarak genetik şifreyle bütünleştiriliyorlar. Bu sayede hücreye istenilen komutlar dolaylı olarak değil, çok daha kesin ola­rak verilebiliyor.
Özel olarak hazırlanan bu plakalar hücrelerin ço­ğalması için gerekli besin maddelerini ve büyüme faktörlerini de içeriyor. Her plaka üzerine, orga­nın değişik kesitlerini oluşturacak şekilde hücreler püskürtülüyor. Kesitlerin şekline göre nereye han­gi hücrenin püskürtüleceği ya da neresinin boş ka­lacağı, bilgisayar tarafından önceden belirlenmiş oluyor. Plakalar üzerine püskürtülen hücreler ço­ğalarak birbiriyle birleşiyorlar. Böylece her plaka­da organın belirli bir kesiti hücresel olarak oluşu­yor. Sonraki aşamada bu plakalar kesit sırasına göre üst üste konuluyor. Zaman içinde farklı pla-kalardaki hücreler de birbiriyle birleşmeye başlı­yorlar. Hücrelerin çoğalması ve birleşmesi tamam-landığındaysa organ, plakaların oluşturduğu iske­let çevresinde oluşuyor. Birkaç hafta ya da ay için­de plakalar eriyerek kayboluyor ve üç boyutlu ya­pay organ ortaya çıkıyor. Bu teknik sayesinde, bü­yük organları damar yapılarıyla birlikte çok kısa sürede oluşturmak mümkün olabilecek.
Hücre yapı iskeletleri, hücrelerin çoğalıp bü­yümeleri için gerekli besin maddelerini de depo-layabiliyorlar. Bu tür iskeleler birkaç milimetre­den birkaç santimetre kalınlığa kadar elde edile­biliyor. Gözenekli bir yapıya sahip olan iskelelet-rin tüm yüzeyi ve iç alanları hücrelerle dolduğun­da, istenilen doku elde edilmiş oluyor. Bu yön­temle elde edilen yapay cilt, ABD'de FDA (Gıda ve İlaç Dairesi - Food and Drug Administration) tarafından onaylanıp piyasaya sürüldü. Cilt ve kı­kırdak oluşturmak, büyük organ oluşturmaya gö­re daha kolay. Birkaç milimetre kalınlığındaki do­kuların, yaşamak için kan damarlarına gereksini­mi olmayabiliyor. Ancak büyük organ oluşturmak için, yalnızca büyük bir hücre kütlesi elde etmek yetmiyor. Örneğin, yapay karaciğer elde etmek için yalnızca karaciğer hücrelerinden oluşan bir yumak yaratmak yeterli değil. Yapay organın iş­levlerini yerine getirmesi ve hayatta kalabilmesi için mutlaka damar ve kanal sistemine ihtiyacı var. Son yıllarda yapılan çalışmalarla yapay da­mar elde etme yolunda önemli aşamalar kayde­dildi. Bilgisayar teknolojisi kullanılarak oluşturu­lan mikrotüplerin yapı iskeleti olarak kullanı-Imalarıyla artık yapay damar elde edilebiliyor. Ya­pay damar çevresinde oluşturulan hücre topluluk­ları çok daha uzun ömürlü oluyor.
Doku ve gen mühendisliği sayesinde yapay olarak karaciğer, akciğer, kalp kası, kemik, deri ve böbrek oluşturulabiliyor. Henüz bu organlar tam olarak orijinalinin yerini alabilecek kadar ge­lişmiş değil. Buna karşın yapay doku çalışmaları, nakillerde karşılaşılan, uygun organ bulunama­ması ve organın reddi gibi sorunları aşabilecek önemli bir seçenek olarak görünüyor.
Nisan 2004 5 BİLİM ve TEKNiK
YAPAY HÜCRE
Gen mühendisliğinin yeni araştırma alan­larından biri de, yapay hücre üretimi. Üç bo­yutlu organları oluşturup insana nakletme­nin teknik zorluklarına karşın yapay hücre oluşturmak bazı hastalıkların tedavisine pra­tik çözümler getirebilecek. Diyabet ve Par-kinson gibi hastalıklar, hücrelerin bazı mad­deleri yeterince üretememesine bağlı oluşu­yor. Bu tür hastalıkların tedavisinde eksik maddenin vücuda verilmesi, hastalığın teda­visi için yeterli olabiliyor. Yapay organ ve ya­pay doku üreten bilimadamları, yapay hücre üretmeye de başladı. Hücrelerin vücutta birçok görevi olmasına karşın birçoğu organ ya da dokulara çeşitli moleküllerin taşınma­sına aracılık ediyor ya da bazı maddelerin sentez-lenmesini sağlıyor. Kırmızı kan hücresinin doku­lara oksijen taşıması ya da pankreas beta hücre­sinin insülin salgılaması gibi. Birçok hastalık vü­cuttaki hücrelerin bu ve bezeri görevleri yerine getirememesinden kaynaklanıyor. Vücuttaki hüc­reler görevlerini yapamayınca bu hücrelerin yeri­ne aynı görevi yapacak yapay hücreler gönderme fikri, uzun süredir bilim adamlarını meşgul eden bir konu. Son yıllarda bu konuda önemli adımlar atıldı. Yapay hücre sürecinin en önemli aşama­larından biri olan yapay hücre zarı oluşturuldu. Bu zarlar uygun ortamda kümeleşerek mikro kü-recikler oluşturuyor. Oluşturulan bu küreler ilkel hücre yapısına benziyor.
Yapay hücre zarını oluşturabilmek için bilim adamları ampilik moleküller, yani bir ucu suyu seven diğer ucu sudan kaçan moleküller kullanı­yor. Bu moleküller bir araya geldiğinde suyu se­ven uçlar bir tarafa, sevmeyen uçlarsa diğer tara­fa toplanarak çift katlı ince bir zar oluşturuyor. Çift katlı zarlar uygun ortamda, sudan kaçan uç­lar içeride, seven uçlar dışarıda olacak şekilde küreler oluşturuyorlar. Bu kürelerin içine su gire­miyor. "Lipozom" ya da "polimerzom" olarak ad­landırılan bu küreler, birçok amaca hizmet edebi­liyor. Kürelerin dış yüzeylerine özel şeker mole­külleri bağlanıp "glikolipozom" elde ediliyor. Gli-kolipozomun dış yüzeydeki şeker molekülleri çe­şitli proteinleri tutabiliyor. Örneğin virüslerin dış kabuğundaki bazı proteinler, bu şekerlere yapışı­yor. Virüslerin şeker moleküllerine bağlanması, glikolipozomun rengini değiştiriyor. Böylece or­tamda virüs olduğunu anlamak mümkün oluyor. Glikolipozomlar sayesinde, halen tanınması çok zor olan virüsleri saptamak mümkün olabilecek. Bu yöntem yalnızca tanı amaçlı değil, tedavi amaçlı da kullanılabilecek. Glikolipozomların yü­zeyindeki şekerlere yapışarak bunları parçalama­ya çalışan virüsler, esas hücreleri göremediği için bunları enfekte edemeyecek. Burundan püskürt­me (spray) yoluyla verilen glikolipozomlar virüs­leri şaşırtıp hedeften saptıracak ve bu sayede hastalığa yol açamayacak.
Yapay hücre zarları, romatizma hastalığında olduğu gibi vücudun çeşitli iltihabi reaksiyonları­nı tedavi etmekte de kullanılabilecek. Vücudun herhangi bir yerinde hasar oluştuğunda bu bölge­deki damarlarda şeker molekülleri için özel algı-
layıcılar ortaya çıkar. Kandaki beyaz hücrelerin yüzeylerinde bulunan şekerler bu algılayıcılara bağlanır. Böylece hasarlı bölgede oldukça yoğun beyaz kan hücresi birikimi olur. Beyaz kan hüc­releri ve salgıladıkları moleküller, buradaki hasa­rı tamir etmeye çalışırken belirli bir reaksiyona yol açarlar. Örneğin, elimiz yandığında bu bölge­deki şişlik, kızarıklık ve ağrı, bu iltihabi reaksiyo­nun sonucu oluşuyor. Ancak bu mekanizma her zaman gerekli bölgelerde harekete geçmiyor. Ro­matizmada olduğu gibi bazen vücut kendi yapıla­rını hasarlı zannedip onlara karşı da reaksiyon geliştiriyor. Glikolipozomlar bu tür durumlarda kullanılabiliyor. Glikolipozomun üzerindeki şeker molekülleri damarlardaki almaçlara bağlanarak bunları kapatıyor. Böylece, beyaz kan hücreleri bu almaçları görmeyip pas geçiyor. Bu da iltiha­bi reaksiyonun oluşmasını engelliyor.
Yapay hücre zarları ve bunlardan üretilen mikroküreler, vücutta taşıma sistemi olarak kul­lanılabiliyor. Yapay küreler, vücutta elektrokim-yasal olayları ve kasılmayı yöneten sodyum ve kalsiyum gibi moleküllerin taşınmasında da kulla­nılıyor. Geliştirilen yeni bir yöntemde mikro kü-
relerin içine yerleştirilen kalsiyum iyonları hücrelerin içine gönderilebiliyor. Mikroküre-lerin üzerindeki delikler, içine yerleştirilen ışığa duyarlı moleküller sayesinde açılıp ka­panabiliyor. Mikrokürelere ışık uygulanarak kapaklar açılıyor ve kalsiyum dışarı verili­yor, ışık söndürülünce de kapaklar kapanı­yor. Bu yapay hücrelerin içine yalnızca iyon­lar değil, oksijen ya da diğer gerekli mole­küller de yerleştirilebiliyor. NASA'nın uzay yolculuğu için yaptığı çalışmalar sırasında üretilen ve "polimerzom" denen yapay hüc­reler, kan dolaşımında hiçbir bozulmaya uğ­ramadan 18 saat dolaşıp hedefe ulaşabili­yorlar. Polimerzomlar bağışıklık sistemine de yakalanmıyorlar. İnsan kanı ya da kutu kutu ilaç yerine, oksijen ya da çeşitli ilaçları bunların içine yerleştirerek uzaya göndermek, oldukça bü­yük oranda yer tasarrufu da sağlayacak.
Lipozom denen yapay kürelerin küçük parça­lara bölünmesiyle, çok sayıda küreden oluşan birimler yapılabiliyor. İki plaka arasında sıkıştırı­lan mikroküreler yassılaştırıldıktan sonra, özel bir kesiciyle ikiye ayrılıyor. Bir balon köpüğün­den iki küçük köpükcük oluşması gibi, lipozom-lar ayrılarak iki lipozom meydana geliyor. Sabun köpüklerinden farklı olarak bu lipozomlar arasın­da, bunları birbirine bağlayan çok ince tüneller oluşuyor. Kırmızı kan hücresi küçüklüğünde üre­tilen bu mikrokürelerin arasındaki tüneller, 50 mikron uzunluğunda ve bir saç telinin 1500'de biri inceliğinde. Birçok lipozom bu şeklide birleş­tirilerek mikroküre toplulukları elde etmek müm­kün. Oluşturulan bu sistemler sayesinde çeşitli görevleri olan mikrofabrikalar meydana getirile­bilecek. Yapay hücre kümeleri ve doku elde et­mede önemli bir adım olarak görülen yapay hüc­re duvarları, belki de yapay organ üretmenin bel kemiğini oluşturacak.
Hücre Mühendisliği
ğin, hücre DNA'sına insülin hormonunu kodla­yan gen yerleştirilerek o hücrelerin bol miktarda insülin üretmesi sağlanıyor. Sonraki aşamada bu hücreler polimer bir kapsül içine yerleştiriliyor. Bu kapsül sayesinde bağışıklık sistemi hücreleri­ne yakalanmadan istenilen bölgeye giderek gö­revlerine başlıyorlar. Hücreleri saran polimer kapsül üzerindeki gözenekler sayesinde salgıla­nan protein ya da hormonlar hücre dışına geçe­biliyor. Bu tür yapay hücreler yalnızca protein ya da hormon sentezlemek için kullanılmıyor. Yapay hücrelerin içine yerleştirilen ilaçlar da istenilen bölgeye gönderilebiliyor. Örneğin, kanserin yol açtığı şiddetli ağrı durumlarında, içlerine beyin­deki morfin benzeri moleküllerden yerleştirilen bu hücreler, merkezi sinir sistemine gönderili-yorlar. Yapay hücreler beyne ulaştıklarında, içle­rindeki kuvvetli ağrı kesici molekülleri yavaş ya­vaş salgılayarak ağrıyı geçirebiliyorlar. Bu ilaçlar henüz klinik uygulamaya geçmedi. Ancak son dönem kanser hastalığı olan gönüllülerde denen­me aşamasında.
Bilimadamları, gerekli hormonların ya da proteinlerin vücuda verilmesi için yeni bir yön­tem geliştirdiler. Araştırmacılar bu yolla gereken ilacı ya da proteini vücuda verebiliyor. Bu yön­temde hayvan ya da insan hücreleri kullanılabili­yor. İlk olarak, bu hücreler gen mühendisliği yar­dımıyla istenilen hormon ya da proteini salgılaya­bilecek hale getiriliyorlar. Sentezlenmesi isteni­len proteini kodlayan gen, bu hücrelerin DNA'sı-yla bütünleştiriliyor. Böylece, bu hücreler seri olarak belirli bir proteini üretebiliyorlar. Örne-
BİLİMveTEKNİK 6 Nisan 2004
rildikten sonra insana nakledileceğini, ve bu sayede diyabet hastalığının tedavi edilebileceğini belirtiyor­lar. Aynı yöntem kullanılarak hayvan vücudunda in­san kalbi oluşturmak da mümkün. İnsan kemik iliği ya da kök hücreleri kullanılarak oluşturulan bu or­ganlar, insan hücrelerinden köken aldığı için kişiye nakledildiğinde bağışıklık sistemi tarafından yabancı olarak algılanmıyor. Bu yöntemle oluşturulan organ­lar her ne kadar üç boyutlu bir yapıya sahip olsalar da orijinal şekil ve büyüklükte olmuyor. İnsanın nor­mal karaciğeri boyutlarında, tüm hücre ve damar ya­pılarını içeren bir organ henüz oluşturulmadı. Belki de önümüzdeki 15 yıl içinde bütün bu zorluklar aşı­labilecek. Bu sayede hayvanlarda oluşturulan, diğer bir deyişle "yetiştirilen" organlar, rahatlıkla insanla­ra takılabilecek.
Dr. Vacanti, kısmen de olsa hayvanlarda üç bo­yutlu organ yetiştirmeyi başardı. İlk olarak 1997 yı­lında farenin sırtında üç boyutlu kıkırdak yapısında kulak oluşturmayı başaran Vacanti, yapı iskeletleri kullanarak damarların ve diğer büyük organların da hayvanlarda yetiştirilebileceğini belirtiyor. Deney or­tamında, organik yapıda olan ve bir süre sonra ken­diliğinden eriyebilen yapı iskeletleri sayesinde, hücre­lere üç boyutlu büyüme olanağı sağlanabiliyor. Böy­lece hayvan vücudunda, yalnızca hücre kümelerinden oluşan organlar yerine orijinal şekline yakın organlar üretilebiliyor. Hayvanlar üzerinde "insanlaştırılmış" hücrelerden elde edilen bu tür organların bir diğeri de böbrek. Küçük parçacıklar halinde üretilen böb­rek kümeleri, kanı süzme yeteneğine de sahip. Bu böbrekler henüz insanlar üzerinde kullanılamıyor.
Organik yapı iskeletleri, kök hücreler, ve kimerik hücreler sayesinde, hayvanlarda yapay insan organla­rı üretme noktasına her geçen gün yaklaşılıyor. Hay­vanların genetik yapısını değiştirerek insanlaştırılmış hücre ve organlar üretmek artık hayal değil. İnsan vücudundaki organların, tümünü olmasa da bazı iş­levlerini yapabilen organlar üretilebiliyor. Hayvanlar­da oluşturulan karaciğer, kalp ve böbrek gibi doku­lar, gerçek organ şeklini alabilmiş, yani ne işlevsel olarak ne de boyut olarak insanlara nakledilecek aşa­mada değil. Ayrıca, bağışıklık sistemiyle ilgili sorun­lar da tam olarak aşılamadı. Bütün bunlara ek olarak karşılaşılacak diğer bir sorunsa, hayvan vücudunda yetiştirilen organların insanlara bazı hastalıkları taşı­ması. Bazı virüsler, hayvan hücre çekirdeğine girerek genetik yapıyla bütünleşiyor. Örneğin, "retrovirüs" denen bir virüs türü, kendi genetik şifresini domuz DNA'sına entegre ederek sürekli kendisini çoğaltabi­liyor. Hayvanda üretilen insanlaştırılmış organların insanlara nakledilmesiyle retrovirüs vücuda girebilir, insan hücrelerinin genetik yapısıyla bütünleşip çeşitli hastalıklara, bunun da ötesinde, insan DNA'sında mutasyonlara neden olabilir. Bu ve benzeri sorunlara çözüm aranadursun, insanlaştırılmış hayvan fikri özellikle etik ve dini açıdan da tüm dünyada büyük bir tartışma konusu. Hayvanlarda üretilen insanlaştı­rılmış organların nakledilmesinin insanı hayvanlaştı-racağını düşünen kesimler bu tür çalışmalara olduk­ça karşı. Ayrıca, hayvanseverler de bu tür çalışmala­ra şiddetle karşı çıkıyor. Dr. Vacanti'nin fare sırtında kulak oluşturması, hayvanseverleri ayağa kaldırdı. Tabii, bu tartışmalar devam ederken bilim adamları yapay organ üretimi konusunda hızla yol alıyorlar. İyimser tahminlere göre önümüzdeki 15-20 yıl içinde birçok yerde yapay organ üreten hayvan çiftlikleri ku­rularak, organ nakilleri için sınırsız bir kaynak yara­tılmış olacak.
Dünyada milyonlarca insan organ yetmezliğinin pençesinde ve bunların çoğu organ bulamadan ölü­yorlar. Organ bağışıyla sağlanan organlar, en ileri ül­kelerde bile bu hastaların ancak üçte birine yeterli olabiliyor. Çoğuysa organ nakli sırasında hayatını kaybediyor. Organ bağışı ve uygun organın bulunma­sı zorlukları karşısında, bilimadamları farklı organ kaynakları bulma yoluna gidiyorlar. Organ açığını ka­patmak için hayvan organlarının kullanımı uzun yıl­lardır deneniyor. İnsanlara genetik olarak en fazla benzerlik gösteren şempanzelerin böbrekleri, insana nakledilen ilk hayvan organları arasında. Şempanze­lerin genetik şifresi insanınkiyle %98 oranında ben­zerlik gösteriyor. İlk olarak 1963 yılında bir şempan­zenin böbreği insana nakledildi. Hasta, şempanze böbreğiyle 9 ay yaşadı. Ölüm nedeniyse organın red­di değil, şempanze böbreğinin kanı temizlemek için yetersiz kalmasıydı. Son yüz yıl içinde 100'e yakın hayvan organı, insanlara nakledildi. Bu insanların ta­mamı, çeşitli enfeksiyonlardan ya da organın reddine bağlı olarak öldü.
İnsanın bağışıklık sistemi aşılamadıkça, sınırsız bir kaynak olmasına karşın, hayvanların organlarını kullanmak mümkün olamayacak. Genetik yapımızda-ki %98'lere varan benzerliğe karşın hayvanın organı vücut tarafından yabancı olarak algılanıp ona karşı şiddetli bir savaş başlatılıyor. Bu da organın ölümüy­le sonuçlanıyor. Organın reddi dışında, işlevsel bo­zukluklar da kişinin ölümüne neden oluyor. Nakledi­len organın, insan organına benzer şekilde olması ve benzer kapasiteyle çalışması gerekiyor. Bu bakımdan domuz organları insanınkine en yakın olanı. Ancak bu hayvanlardan nakil yapmanın etik ve dini yönleri oldukça tartışmalı.
Son yıllarda bağışıklık sistemi engelini yıkmak yönünde önemli adımlar atıldı. Normal koşullarda maymunlara nakledilen domuz organları derhal red­dediliyor. Takılmasını takiben yaklaşık 30 dakika içinde organ morarıyor ve tüm işlevini kaybediyor. Bilim adamları bunun nedenini buldu. Domuzlardaki "CGTA1" adlı gen, domuz hücrelerine şeker molekü­llerinin bağlanmasını sağlıyor. Hücre yüzeyindeki bu şeker molekülleri maymun hücreleri tarafından algı­landığında, bağışıklık sistemi harekete geçiyor ve do­muz organına karşı savaş başlatılıyor. Bunu keşfeden bilim adamları domuzların genetik yapısını değiştire­rek, GGTA1 geni taşımayan domuzlar üretmeyi ba­şardılar. Bu domuzların böbrekleri maymunlara nak­ledildiğinde organ reddedilmiyor. Bu buluş, hayvan­lardan insanlara organ nakli için önemli bir gelişme sayılıyor. Çok yakın bir gelecekte hayvan genleri de­ğiştirilerek insanlara uyumlu hayvanlar üretilebile­cek. Genetik yapısı değiştirilmiş hayvanlardan nakle­dilen organlar, insan vücudu tarafından kolaylıkla ka­bul edilebilecek. Tabii bunun gerçekleşmesi biraz za-
man alacak gibi görünse de, sınırsız organ temini yö­nünde önemli bir aşama kabul ediliyor.
Mayo Klinik'te geliştirilen yeni bir yöntem saye­sinde domuz kalbi, koyunlara başarıyla nakledildi. Bu yöntemde organı veren ve alan hayvanların her ikisi­nin de genetik yapılarında değişiklik yapıldı. İlk önce koyunların kemik iliği hücreleri anne karnındaki do­muzlara verildi. Bu domuzlar doğduktan sonra, bun­ların dalak hücreleri alınarak bu sefer koyunlara ve­rildi. Nakledilen bu hücreler her iki hayvanın da ge­netik yapısından parçalar taşıyordu. Yavru domuzlar büyüdükten sonra bunların kalbi koyunlara nakledil­di. Koyunların çoğunda kalp çalışırken, bu işleme ta­bi tutulmayan koyunlarsa derhal organları reddetti­ler. Organı veren ve alanın hücrelerini birleştirerek "kimerik", yani bir bakıma melez hücre grupları elde etmek ve böylece organları yabana olarak görülmek­ten kurtarma fikrini bilim adamları son yıllarda daha da geliştirdiler. İnsan kemik iliği hücrelerini anne karnındaki koyunlara enjekte eden araştırmacılar, erişkin yaşa ulaşan koyunlardaki karaciğer hücreleri­nin yaklaşık %15'inin, insan hücrelerinden oluştuğu­nu gösterdi. Anne karnında verilen insan hücreleri, koyun tarafından yabancı olarak algılanmıyor ve ken­di hücreleri gibi kabul ediliyor. Bu hücreler çeşitli or­ganlara giderek buralara yerleşiyor. Bu sayede hay­vanın organları bir bakıma insanlaşmış oluyor. Bu or­ganlar insanın bağışıklık sistemi tarafından yabancı olarak algılanmayıp savaş başlatılmıyor. Hayvanlarda elde edilen kimerik, diğer bir deyişle melez organla­rın içindeki insan hücresi oranını yükseltmek, en önemli hedeflerden biri. Ancak bu oran çok arttığın­da hayvanın yaşaması mümkün olmayabilir. Bu ve benzeri teknik zorluklar, henüz aşılamadı ve bu çalış­malar halen klinik uygulamaya geçmedi. Moleküler düzeydeki zorluklar her geçen gün biraz daha aşılı­yor. İnsanlaşmış, yani kimerik hayvan organları elde ederek organ ihtiyacını karşılamak, çok yakın bir ge­lecekte mümkün olabilecek.
Hayvanlara verilen insan kök hücreleri, hayvan vücudunda belirli bölgelere yerleşip hücre kitleleri oluşturabiliyor. Küçük birer organ şeklini alan bu hücre grupları, hayvanın kendi organlarından bağım­sız olarak işlevlerini sürdürebiliyorlar. Nevadalı bilim adamları, hayvanlara nakledilen hücrelerin, hayvan vücudunda kalın karaciğer hücre kümeleri oluşturup normal bir karaciğerin neredeyse tüm işlevlerini yap­tığını gösterdi. İnsan karaciğer hücrelerinden oluşan bu karaciğer, insan kanında bulunan "albumin" adlı proteini oluşturabiliyor ve belirli bir boyuta ulaştığın­da hayvandan çıkartılarak insana nakledilebiliyor. Hayvanlara enjekte edilen insan pankreas hücreleri de hayvan vücudunda kümeler oluşturup insülin hor­monu salgılayabiliyorlar. Araştırmacılar, yakın gele­cekte bu hücre gruplarının hayvan vücudunda yetişti-
Nisan 2004 7 BİLİMveTEKNİK
Yapay organ üretiminde en önemli aşama, ya­pay damar oluşturmak. Belirli bir kalınlığın üze­rindeki dokuların yaşayabilmesi için mutlaka kan damarları gerekiyor. Karaciğer, böbrek, akciğer gibi organları oluşturmak için ilk önce damar ya­pısının kurulması gerekiyor. Yapay damarlar yal­nızca organ oluşumu için değil, birçok damar hastalığının tedavisinde de kullanılabilecek. Or­gan ve dokulara temiz kan gitmesini sağlayan atardamarların tıkanıklığında organlar işlevlerini göremez hale geliyor. Kalp damarlarının tıkan­masıyla oluşan kalp krizi, en büyük sıklıkla orta­ya çıkan ölüm nedenlerinden biri. Tıkalı olan da­marların yenisiyle değiştirilmesi, bu tür hastalık­larda en geçerli tedavi yöntemi. Yalnızca kalp da­marlarının değil, vücuttaki diğer tıkalı damarların değiştirilmesinde de sağlıklı damarlara ihtiyaç oluyor. Birçok durumda hastanın kendi sağlıklı damarları kullanılabilse de, bazen bunlar yeterli olmuyor. Vücuttaki damarların kullanılamadığı damar tıkanıklıklarında politetrafloroetilen'den yapılan sentetik damarlardan yararlanılıyor. An­cak bu tür sentetik damarların uzun dönemde tı­kanması riski de var. Görüldüğü gibi, damar has­talıklarının tedavisi için oldukça fazla miktarda damara ihtiyaç oluyor. Bu tür hastalıkların teda­visi için yapay damarlar, önemli bir tedavi umu­du taşıyor.
Damarlarda esas olarak iki tip hücre bulunu­yor. Damarın dış kısmını kaplayan düz kas hücre­leri ve iç yüzeyini kaplayan "endotel" hücreler. Damarların iç kısmını kaplayan hücreler, adeta teflon yüzeyler gibi kanın damara yapışmasını ve pıhtı oluşmasını engelliyorlar. Yapay damar oluş­turmada ilk basamak mikroskobik düzeyde mik-rotüpler oluşturulması. ABD'de Harvard Üniversi-tesi'ndeki bilim adamları, geliştirdikleri bir yön-
temle değişik büyüklüklerde mikro-tüpler oluşturdu. En büyükten başla­yarak dallara ayrılan ve giderek küçü­len mikrotüp sistemi, bilgisayar yardımıy­la geliştirildi. Bu modelde mikrotüp ikiye ayrılıyor, dallanan iki tüp tekrar ikiye ayrılı­yor ve böyle devam edip gidiyor. Böylece bü­yükten başlayıp küçüğe doğru giden ve orijinal damar ağına oldukça benzer bir mikrotüp iske­leti oluşturuluyor. Kendi kendine eriyip yok olabilen özel polimerlerden oluşturulan bu mikrotüp iskeletlerin dış yüzeylerine düz kas hücreleri, iç yüzeylerineyse endotel hücreler yer­leştiriliyor. Bu hücreler çoğaldıkça birbiriyle bir­leşiyor ve sonunda tüm iskelet yüzeyini kaplıyor­lar. Mikrotü'plerin içine yerleştirilen endotel hüc-releriyse pürüzsüz bir iç yüzey oluşmasını sağlı­yor. Zamanla hücreler daha da çoğalarak sıklaşı­yor, polimer iskelet eriyerek kayboluyor ve yapay damar oluşuyor.
Yapay damar oluşturmada kullanılan diğer bir yöntemse "baskı" yöntemi. Amerikalı bilim adamları tarafından geliştirilen ve bilgisayar yazı­cılarının çalışmasına oldukça benzeyen bu yön­tem sayesinde en karmaşık damar ağlarını çok kısa sürede oluşturmak mümkün. Bu yöntemde ilk olarak, yazıcılardaki kartuş benzeri yapıların içine hücreler yerleştiriliyor. Daha sonra bu hüc­reler, önceden oluşturulan yapı iskeletlerinin üzerine püskürtülüyor. Bu iskeletler 20 derecede sıvı halde bulunurken 32 derecede katılaşıyor. Hücrelerin püskürtüldüğü noktalar, önceden bil­gisayar tarafından belirlenmiş oluyor. Üzerine hücre püskürtülmüş iskeletler, daha sonra birleş­tirilerek üç boyutlu damar modelleri elde edili­yor. Bu yöntem, mürekkep püskürten yazıcılara benzediği için "baskı" yöntemi olarak adlandırılı-
SİNİR
lebilecek yapay sinir üretimi üzerinde yoğun ça­lışmalar var.
Bilim adamları kopan sinir uçlarının arasına yerleştirilen yapay bir akson oluşturdu. Geliştiri­len bu yeni bir yöntem sayesinde kopan sinirler tamir edilebiliyor. Yapay akson, "kollagen" ve "polietilen glikol"den oluşan bir iskelet. Polieti-len glikol, kendiliğinden eriyebilen polimer yapı­sında bir madde. Hasarlı sinir uçları arasına yer­leştirilen yapay akson, 25 mm'lik bir açıklığın yaklaşık 4 haftada iyileşmesini sağlıyor. Yapay akson iskeletse bir süre sonra eriyerek sağlam sinir do­kusuna karışıyor. Bu şekilde iyi­leştirilen sinir lifleri kısa süre içinde normal işlevlerini görme­ye başlıyor.
Doku mühendisliği sayesin­de özel hücreler kullanarak ya­pay sinir liflerini oluşturmak mümkün. Kılcal boru iskelet
yor. Kapalı kartuşların içinde çoğal­tılan hücreler dış dünyadan izole edildikleri için, her türlü mikroptan uzak kalıyorlar. Steril iskeletlerinin üzerine püskürtülen bu hücrelerden oluşturulan yapay damarlar da, dola­yısıyla rahatlıkla vücuda yerleştirilebi-liyorlar.
Baskı yönteminin üç boyutlu ya­pay organ oluşturmada başka avan­tajları da var. Bu yöntem sayesinde büyük organları oluşturmak için deği­şik aşamalara gerek kalmıyor. Diğer yöntemlerde, damar iskeleti oluşturu­lduktan sonra, hücreler bu iskeletin üzerinden ilerletilerek damar oluşturuluyor. Damar oluştuk­tan sonra, bunun çevresinde diğer hücreler ço­ğaltılıyor. Bu yöntemle dokuları oluşturmak daha uzun süre alabiliyor. Fakat yeni geliştirilen baskı yöntemi sayesinde kağıt şeklindeki iskeletler üze­rine aynı anda değişik hücre tipleri püskürtülebi-liyor. Tabakalar halinde basılan iskeletler üst üs­te konularak, üzerlerine püskürtülen hücrelerin birleşmesi sağlanıyor. Böylece çok kısa sürede hem damar hem de diğer yapılar ortaya çıkabili­yor. Baskı yöntemiyle iki saat içinde 5 cm kalın­lığında, kanlanması sağlanmış dokular elde et­mek mümkün. İnsan böbreğinin 5 cm kalınlığın­da olduğu düşünülecek olursa, baskı yöntemiyle böbrek oluşturmak yalnızca 2 saat alacak. Tabii organ oluşturmak yalnızca kanlanması sağlanmış hücre kütlesi yaratmak değil. Orijinal organın tüm işlevlerini üstlenebilecek bir yapay organ oluşturabilmek için yapay damarların yanısıra, organ içindeki küçük yapı birimlerini de oluştur­mak gerekiyor.
Hareket etmemizi ve hissetmemizi sağlayan sinirler, büyük bir gövde ve uzun bir uzantıdan oluşuyor. Sinir gövdesi genellikle beyin ya da omurilikte yerleşirken, "akson" denen uzantısı 1,5 metre kadar uzağa gidebiliyor. Sinir hücresi öldüğünde kendisini yenileyemiyor, ancak uzantı­sı, hasar gördüğü zaman kendisini tamir edebili­yor. Bu tamir işlemi için sinir uçlarının karşılıklı getirilerek aranın doldurulması gerekiyor. Diğer bir deyişle, onarım için hasarlı sinir uçları arası­na ek yapılması gerekiyor. Hasarlı sinir uçları karşılıklı getirilmeyip hasarlı bölge boş bırakılır­sa uçlar çoğu zaman bir araya gelemiyor. Kopan sinirleri onarmak, sinir cerrahlarının en önemli hedeflerinden biri. Kopan ya da hasar gören si­nirlerin, vücudun diğer yerinden alınan sinirlerle onarılması da mümkün. Ancak bu tedavinin çeşit­li kısıtlamaları var. Her zaman onarım için uygun sinir bulunamayabiliyor; ameliyat edilen bölgeye birden fazla kez müdahale etmek gerekebiliyor; nakledilen sinir, istenilen görevi yapmayabiliyor. Böyle kısıtlamaları olmayan ve her an temin edi-
çevresine yerleştirilen hücreler sayesinde yapay sinir elde ediliyor. Hasarlı sinir liflerini, vücutta "Schwann" hücreleri onarıyor. Bu hücreler sinir hasarı oluştuğunda o bölgeye giderek salgıladığı maddelerle hasarı onarıyor. Hayvanlardan alınan "Schwann" hücreleri kültürlerde çeşitli işlemler­den geçirilerek çoğaltılıyor. Belirli bir sayıya ge­len hücreler "poliglaktin" içeren polimer iskelet­lerin üzerine yerleştiriliyor. "Schwann" hücreleri, kılcal borular şeklinde olan bu iskeletler üzerinde çoğalarak ilerliyorlar. Hücreler, tüm yü­zeyi kaplayarak kılcal boruyu çevreliyorlar. Kendiliğinden eriyebilen kılcal boru iskelet, çevresindeki "Schvvann" hüc­releriyle birlikte yapay bir si­nir lifi şeklini alıyor. Bu yapay sinir lifi, kopan sinir lifleri ara­sına nakledildikten sonra, za­man içinde sinir lifi bütünlüğü­nü sağlıyor.
BİLİM veTEKNİK 8 Nisan 2004
KARACİĞER
Karnın sağ üst kesiminde bulunan karaci­ğer, en önemli organlardan biri. Diğer birçok organdan farklı olarak karaciğerin sayısız görevi var. Vücudun fabrikası olarak da adlandırılan karaciğer, gıdaların sindi­rilmesi için gerekli safra ve enzimle­ri, çeşitli proteinleri, pıhtılaşma için gerekli faktörleri üretiyor. Vitamin ve kolesterol gibi yapı­taşları için adeta bir depo göre vi görüyor. Kanın zararlı mad­delerden arındırılması da ka­raciğerin en önemli görevleri arasında. Karaciğer yalnızca hücre kümelerinden oluşmu­yor. İçerisinde çok karmaşık bir damar ve kanal ağı var. Karaciğer hücreleri de, bu da­mar ve kanal sistemiyle yakın komşulukta bulunuyor. Kara­ciğer, bu karmaşık yapısı ne­deniyle yapay olarak oluştu­rulması en zor olan organlar­dan biri.
Karaciğer yetmezliğine yol açan etkenlerin başında alkole bağlı siroz, hepatit (sarılık) ve aşırı dozda kullanılan ilaçlar geliyor. Karaciğer yetmezliği geliştikçe vücutta kanamalar, ka­rında şişlik ve koma görülebiliyor. İlerlemiş organ yetmezliklerinde halen tek teda­vi seçeneği, organın değiştirilmesi. ABD'de yak­laşık 10 milyon insanda çeşitli derecelerde ka­raciğer hastalığı mevcut. Yine bu ülkede 12 bin kişi karaciğer nakli için sırada. Bu kişilerin yal­nızca üçte birine uygun karaciğer bulunabiliyor ve her yıl %20'si nakil sırasında beklerken ölü­yor. Bu rakamlar gelişmekte olan ülkelerde çok daha korkutucu boyutta. Organ bağışının çok az olduğu ülkelerde, karaciğer hastalıklarına bağlı ölümler oldukça fazla. Son 4-5 yıl içinde gelişti­rilen yapay karaciğer cihazları, organ sırasında bekleyen hastalara karaciğer bulunana kadar zaman kazandırıyor.
Yeni geliştirilen yapay karaciğer cihazları, insan karaciğer hücrelerini kullanıyor. İlk ola­rak hastanın kanındaki hücreler ayrılarak "plaz­ma" denen sıvı elde ediliyor. Daha sonra plaz­ma, içi karaciğer hücreleriyle dolu bir kartu­şa aktarılıyor. Kartuşun içinde sınırsız yaşa­ma yeteneği olan milyonlarca karaciğer hüc­resi bulunuyor. Bu hücreler normal bir kara­ciğer hücresinin neredeyse tüm görevlerini yapabiliyorlar. Kartuşun içine dolan plazma, bu hücreler sayesinde zararlı maddelerden arındırılıyor. Kartuştan süzülen temiz plazma tekrar hastaya geri veriliyor. İnsan hücrele­rinden yararlanan cihazlar, yaklaşık on gün süreyle kesintisiz olarak kullanılabiliyor. Ya­pay karaciğer cihazları son yıllarda daha da geliştirildi. Heksagonal mikrokanallar üzerine yerleştirilen karaciğer hücreleri, yapay kara­ciğer görevini görebiliyor. Hastanın kanı, bu
kanallar içinden geçerken karaciğer hücreleri tarafından za­rarlı maddelerden temizleniyor. Ancak kan bu kanallardan geçerken içindeki oksijeni de kaybedebiliyor. Bu nedenle kanalları kısa tut­mak gerekiyor. Kanalların kısa olması da yete­rince zararlı maddelerden temizlenmesini engel­leyebiliyor. Bu tür cihazlar her ne kadar gelişti-rilmişse de, bir karaciğerin görevini tam olarak gerçekleştiremiyorlar. Bu nedenle üç boyutlu yapay karaciğer oluşturma çalışmaları hızla de­vem ediyor.
Yapay karaciğer oluşturmak, teknik açıdan oldukça güç. Poliüretan köpük iskelet kullanan bilim adamları yapay karaciğer oluşturabiliyor­lar. Köpük içine yerleştirilen karaciğer hücrele­ri, mikrokümeler oluşturuyor. Elde edilen üç boyutlu yapay karaciğer vücut dışında 10 gün süreyle işlev görüyor. Karaciğer yetmezliği olan domuz ve farelere yerleştirilen bu yapay karaci­ğerler oldukça iyi sonuçlar verdi. Bilim adamla­rı, deney aşamasındaki köpük karaciğerleri da­ha da geliştirerek, insanlarda kullanımı için ça­lışıyorlar.
Tüm damar yapılarını da içe­ren üç boyutlu kalın bir ka­raciğer oluşturma fikri 5-6 yıl öncesine kadar yalnızca bir hayal ola­rak kabul ediliyordu. Dr. Vacanti'nin 1997 yı­lında bir farenin sırtında insan kulağı geliştirdiği gün­den beri, üç boyutlu ve damarlı yapay karaciğer fikri hayal olmaktan çıktı. Harvard Üniversitesi'ndeki bilim
adamları orijinal karaciğer benzeri bir mo­del oluşturdular. Yapay karaciğer yaratmada en önemli basamak, karmaşık damar yapısını oluş­turmak. Bu nedenle ilk olarak, vücuttan çıkartıl­mış bir karaciğerin damarlarının içine, özel bir sıvı plastik materyal enjekte ediliyor. Bu sıvı kı­sa süre içinde katılaşarak damarların şeklini alı­yor. Daha sonra karaciğer dokusu özel sıvılarla eritilerek yok ediliyor. Geriye yalnızca katılaş­mış ve damar şeklini almış olan madde kalıyor. Kurumuş ağaç dallarına benzeyen bu yapı, kara­ciğerin damar yapısını temsil ediyor. Bu yapının görüntüleri bilgisayara aktarılarak üç boyutlu görüntüler elde ediliyor. Bu görüntüler yardı­mıyla silikon kalıplar hazırlanıyor. Silikon kalıp­ların içine polilaktik glikolik asit (PLGA) yapı­sındaki bir madde dökülüyor. Böylece karaciğer damarlarının organik bir iskeleti oluşturuluyor. Bu iskeleti oluşturduktan sonraki aşamaysa hücrelerin oluşturulması. Damar iskeleti çevre­sine yerleştirilen karaciğer hücreleri, belirli bü­yüme faktörleri yardımıyla çoğalarak organın kalın etli kısmını oluşturuyorlar. Bir sonraki aşamaysa damarın oluşturulması. Bunun için süngerimsi yapıda olan PLGA içine damar hüc­releri enjekte ediliyor. İskelet, hücrelerin çoğal­ması için gerekli büyüme faktörlerini ve besin maddelerini içeriyor. Damar hücreleri iskelet boyunca ilerleyerek karaciğer hücrelerine yapı­şıyor. Burada çoğalan damar hücreleri, iskelet çevresinde birleşerek tam bir damar yapısı oluş­turuyorlar. PLGA iskelet birkaç ay içinde kendi­liğinden eriyerek geride karaciğer hücreleri ve içinde damarları olan yapay bir organ bırakıyor. Bu şekilde oluşturulan yapay karaciğer hayvan­larda denendi. Oldukça iyi kan akımının sağlan­dığı bu organlarda dışarı kan sızıntısı da gözlen­medi.
Tabii bu teknolojiyi ideal şekle getirmek çok kolay değil. Karaciğer içinde değişik görevleri olan milyonlarca hücre var. Yalnızca bir gram karaciğer dokusunda yaklaşık 100 milyon kara­ciğer hücresi bulunuyor. Hücrelerin gerekli nok­talara yerleştirilmesi ve buradaki konumlarını korumalarının sağlanması oldukça güç. Yapay karaciğer oluşturulmasında karşılaşılan diğer bir güçlükse, organın mikroplardan arındırılma­sı. Yapay organların içine hiçbir mikrobun gir­memesi gerekiyor. Bu nedenle, çalışmalarda kullanılan tüm cihaz ve aletlerin steril, yani mik­roptan arındırılmış olmaları çok önemli.
Nisan 2004 9 BİLİM ve TEKNİK
>
KALP
Kalp, en önemli organlardan biri. Koroner damarların tıkanmasına bağlı kalp kaslarının öl­mesi, ve bunun sonucunda meydana gelen kalp krizi, dünyadaki en sık ölüm nedeni olarak gös­teriliyor. Kalp hücreleri kendini yenileme yetene­ğine sahip değil. Bu nedenle herhangi bir nede­ne bağlı olarak hücreler ölür ya da görev yapa­mazsa, yani hücreler kasılma yeteneğini kaybe­derlerse, kalp yetmezliği gelişiyor. Kalp yetmezli­ğinde vücuttaki kan yeterince pompalanamıyor ve organlar kansız kalıyor. Buna bağlı olarak da diğer organlarda yetmezlikler başlıyor. Milyonlar­ca insan kalp yetmezliğinin pençesinde ve nakil için uygun bir kalp bekliyor. Bu insanların fazla zamanı yok. Kanı pompalama yeteneği olan yapay kalp cihaz­ları nakil yapılana kadar geçen sürede hastalara zaman kazan­dırıyor. Ancak bu cihazların vü­cutta taşınması çok kolay değil. Enerjiyi aldıkları piller vücut dı­şında bulunuyor. Hastaların mutlaka yedek pillerle dolaşma­ları gerekiyor. Yapay kalp ci­hazları yabancı cisim oldukları için, kan bunun içinden geçer­ken pıhtılaşabiliyor. Bunu en­gellemek için sürekli kanı su­landıran ilaçların alınması gere­kiyor.
Son yıllarda kalp yetmezliği­nin tedavisinde cihazlar yerine kalp kası hücrelerinin kullanıl­ması gündeme geldi. Kemik ili­ğinden alınan hücreler ya da embriyodaki kök hücreler kulla­nılarak kalp kası hücresi (kardiyomiyosit) oluştu-rulabiliyor. Kök hücreler birçok hücreye dönüş­me yeteneğine sahip. İnsanın oluşumu aşamasın­daki ilk hücreler olan embriyonel kök hücreler, kültürlerde çoğaltılarak özel büyüme faktörleri sayesinde kalp hücrelerine dönüştürülüyorlar. Bu hücreler farklı genetik yapıya sahip oldukları ki­şiye nakledildiklerinde bağışıklık sistemini hare­kete geçirebiliyor. Yapılan çalışmalar, kemik ili­ğinden alınan bazı hücrelerin de özel koşullarda kalp hücresine dönüşebileceğini gösterdi. Kişinin kendi kemik iliğinden alınacak olan hücrelerin genetik yapısı kalbindeki hücrelerle aynı olduğu için, bunların tedavi amaçlı kullanımı bağışıklık sistemi açısından sakınca yaratmıyor. Kemik iliği hücreleri özel kültürlerde kalp hücresine dönüşü­yor. Bu hücreler belirli sayıya ulaştıktan sonra tekrar hastaya geri veriliyor. Bu hücreler dolaşım yoluyla kalbe giderek hasarlı bölgeye yerleşiyor­lar. Hasarlı kalp hücreleri arasında yerini alan sağlıklı kalp hücreleri burada normal işlevlerini yerine getiriyor. Bu sayede kalp yetmezliği önle­nebiliyor. Bu tür tedaviler henüz deneme aşama­sında olmalarına karşın bilimadamları daha da ileri giderek kalp dokusunu vücut dışında oluş­turmayı başardılar. Bir günlük yavru farelerin kalp hücrelerini alan bilimadamları bu hücreleri kollagen ve serum içeren bir ortama yerleştirdi
ler. Yaklaşık dört gün­de, kap içindeki hücre­ler çoğalarak birbiriyle kenetlendiler. Orijinal kalp dokusundaki gibi birbirine yapışan hüc­reler dakikada 100 kez kasılan kalın bir hücre kümesi oluştur­du. Vücut dışında elde edilen bu yapay kalp dokusu, mikroskobik olarak üç boyutlu kal­bin benzeri.
tedavi sürecini beklemek için zamanları ol­muyor. Hücre ya da doku nakli sonrasında bu hücrelerin hedef bölgeye giderek burada çoğalmaları ve hasarlı hücrelerin yerini al­maları uzun bir süreç gerektirebilir. Sonuç­ların alınması için belirli süre gerektiren bu ve benzeri tedavilerin, kalbin tamamının ha­sarlı olduğu durumlarda kullanılmaları pra­tikte mümkün olmayabilir. Böyle durumlar­da organın tamamının en kısa sürede değiş­tirilmesi gerekir. Organ kaynaklarının son derece yetersiz olduğu günümüzde yapay olarak üretilecek organlar, en önemli umut kaynağı. Bilim adamları, yeni doğmuş fare­lerden alınan kalp hücrelerini kullanarak üç boyutlu kalp dokusu oluşturmayı başardılar. Fare kalp hücrelerinin, kollagen bir iskelet çevre­sinde toplanarak üremeleri sağlandı. Büyüme faktörleri sayesinde çoğaltılan hücreler kısa bir sürede birleşerek kollagen iskelet etrafında ke­netlendi. Çoğalarak üç boyutlu şekil alan kalp hücreleri kasılma işlevini de yerine getiriyor.
Yapay kalp dokusu elde etme çalışmaları şim­di daha da ileri noktalara götürülüyor. Artık he­def kalp hücresi ya da kalp dokusu oluşturmak değil, üç boyutlu organ, yani yapay kalp yarat­mak. Birçok kalp hastalığında, kişilerin uzun bir
NEFES BORUSU
Nefes borusu, ya da diğer adıyla "trakea" en önemli organlardan biri. Havanın akciğerlere ulaşmasını sağlayan nefes borusu sert bir kıkır­dak yapıdan oluşuyor. Nefes borusunu kaplayan tümörlerde bu borunun çıkartılması gerekebili­yor. Ceride kalan boşluğun doldurufmasıysa çok önemli. Son yıllarda geliştirilen yapay nefes bo­rusu hayvanlarda başarıyla uygulanıyor. İlk ola­rak "polipropilen" yapısında sentetik bir iskelet oluşturuluyor. Bu iskeletin çevresine doku kül­türlerinde üretilen kıkırdak hücreleri yerleştirili­yor. Hücreleri bir arada tutmak için üzerleri ka-
lın bir yapay bağ dokusu tabakasıyla kaplanıyor. Bu tabaka kollagen liflerinden oluşuyor. Bu şe­kilde hazırlanan 4 santimetre uzunluğundaki ya­pay nefes borusu, hayvanlara başarıyla uygulan­dı. Bir ay içinde yapay borunun içi, normal hava yollarında bulunan ve üzeri tüylü "epitel" hücre­leriyle kaplandı. Bütün olarak ters "Y" biçimin­deki nefes borusunun yapay boruyla değiştiren bilim adamları, oldukça iyi sonuçlar aldıklarını belirtiyorlar. Bu sayede, en önemlisi kanser ol­mak üzere, nefes borusunu etkileyen hastalıkla­rın verdiği hasar kolaylıkla onarılabilecek.
BİLlM ve TEKNİK 10 Nisan 2004
DERİ
mesini engelliyor. Yapay deri buz üzerinde sak­lanıyor ve en kısa sürede kullanılması gereki­yor. Halen FDA tarafından onaylanmış olan ve piyasada bulunan yapay deriler, genellikle ha­sarlı bölge üzerinde ince bir tabaka oluşturu­yor. Bu tabakanın temel görevi, kişinin deri hücreleri kendisini yenileyene kadar geçici sü­reyle iskelet oluşturmak. Hücrelerin çoğalması için gerekli maddeleri de içeren iskelet, damar ve hücrelerin kendilerini yenilemesi için ortam hazırlıyor. Yapay deri nakledildikten kısa bir sü­re sonra deri hücreleri ve damarlar çoğalarak is­keletin tamamını doldurup, yara üzerinde ince bir hücre tabakası oluşturuyorlar. Tüm tabakala­rı içeren ve orijinal dokuya benzer yapay deri üretmek için çalışmalar yoğun olarak devam edi­yor. Haziran 2000'de onay alarak piyasaya çıkan bir diğer yapay deriyse, polimer bir iskelet üzeri­ne yerleştirilmiş hücrelerden oluşuyor. Yeni geliş­tirilen bu yapay deri insan derisine oldukça ben­ziyor. Yapay deri, orijinali gibi iki tabakadan olu­şuyor ve canlı hücrelerle birlikte yapısal protein­leri de içeriyor. Yapay derinin üst tabakasında "keratinosit" denen hücreler bulunuyor. Bu hüc­reler insana nakledildikten sonra çoğalarak sağ­lıklı deri hücrelerini oluşturuyor. Derinin alt taba-kasındaysa kollagen ve canlı hücreler bulunuyor. Yapay deri, insan vücuduna nakledildikten bir sü­re sonra, normal deri yapısını alıyor. Orijinaline oldukça benzeyen yapay deri şeker hastalığına bağlı oluşan yaraların kapatılması için kullanılı­yor. Bu deriler yanıkların ya da damar hastalıkla­rına bağlı cilt yaralarının kapatılmasında da kul­lanılabiliyor. Gerek işlevsel açıdan, gerekse yapı­sal olarak insan derisine benzeyen yapay derile­rin üretilmesi, özellikle yanıklardan sonra sıvı kaybına bağlı ölümleri azaltarak insan hayatını uzatması açısından büyük önem taşıyor. Doku mühendisliğindeki gelişmelere paralel olarak ya­pay deri üretiminde de her geçen gün ilerlemeler kaydediliyor. Çok yakında istenilen boyut ve renkte deriler üretilerek tüm hasarlı deri bölgele­ri kapatılabilecek.
Deri hücrelerinin ölmesine yol açan deri kan­seri gibi hastalıklar ya da mekanik etkiler, geniş deri alanlarının kaybına yol açabiliyor. Şeker has­talığına bağlı olarak deride yaralar görülebiliyor. Vücudunun bir kısmını felç nedeniyle hareket et­tiremeyen kişilerin bazı bölgelerinde basınca bağlı derin yaralar oluşabiliyor. Bütün bunlardan daha sık karşımıza çıkan hasarsa, derinin yana­rak yok olması. Birinci derece yanık, oldukça ha­fif bir deri hasarına yol açıyor. Bunun en sık kar­şılaşılan örneği, güneş yanığı. Güneşe gereğin­den fazla maruz kalınca deride kızarıklık ve hafif şişme görülebiliyor; genellikle deri hücrelerinin kaybı olmuyor. İkinci derece yanıklardaysa yü'ze-yel deri hücreleri ölüyor ve ciltte kabarcıklar olu­şuyor. En şiddetli doku hasarına yol açanıysa, üçüncü derece yanıklar. Bu yanıklarda deri hüc­relerinin tümü yanıyor, hatta kemiğe kadar kö­mürleşme görülebiliyor. Derinin tüm tabakaları­nın kaybına yol açan bu tür yanıklar eğer geniş bir alanı kaplıyorsa, bu bölgenin başka yerden alınan deriyle kapatılması gerekiyor. Deri kaybı, vücudun diğer taraflarından alınan deri parçala­rıyla telafi edilebiliyor. Doku hasarının çok geniş olduğu ve vücuttan alınan deriler yeterli olmadı­ğı durumlardaysa, açık alanları kapatmak için dı­şarıdan getirilecek dokuya ihtiyaç oluyor. Kadav­ralardan alınan deri parçaları, bağışıklık sistemi­nin reaksiyonuna bağlı olarak birkaç hafta içinde
reddediliyor. Sentetik mater-yallerse yabancı cisim olarak kabul edilerek şiddetli bir do­ku reaksiyonuna yol açıyor. Yani vücut yabancı maddeyi at­mak için savaş başlatıyor. Bütün bu nedenlerden dolayı, vücudun rahatlıkla kabul edeceği ve her an temin edilebilecek deri parçalarına ihtiyaç du­yuluyor.
Geliştirilen yeni yöntemlerle artık hasarlı de­rinin onarımı mümkün. Oluşturulan yeni yapay deri "fibroblast" denen hücreleri içeriyor. Bu hücreler, deri hücrelerini oluşturan kök hücreler gibi görev yapıyor. Tabii bu hücreler serbest hal­de bulunmuyor. Bunları bir arada tutan bir iske­let üzerine yerleştiriliyor. Hücre iskeleti üzerine yerleştirilen ve çoğalma yeteneği olan yapay de­ri, yalnızca insan hücrelerinden üretiliyor. Derin yanıklarda hücre tabakasının altına başka bir ta­baka daha yerleştirilebiliyor. Bu tabaka, deri hüc­relerini ve dokuları bir arada tutan "kollagen" adlı proteini içeren liflerden oluşuyor. FDA tara­fından 1997 yılında onaylanarak piyasaya sürü­len bir yapay deri ürünü, derinin hem "epider-mis" denen üst kısmını hem de "dermiş" denen alt tabakasını birlikte içeriyor. Bu yapay deri, kollagen iskelet üzerinde yer alan hücrelerden oluşuyor.
Yapay derilerin, üçüncü derece yanıklardan sonra en kısa sürede hasarlı bölgeye nakledilme­leri gerekiyor. Nakledildikten sonra, buradaki si­nir uçlarını kaplayarak ağrıyı azaltıyor. Buna ek olarak da hasarlı bölgeden vücudun sıvı kaybet-
İDRAR KESESİ
İdrar kesesi, yani mesanenin en önemli göre­vi, idrarı depolamak. Bu organın tam olarak id­rarı biriktiremediği durumlarda kişi idrarını tuta­mıyor ve sürekli altına kaçırıyor. Her ne kadar hayati bir organ olmasa da, idrar kesesi olmasay­dı, hayat son derece çekilmez olurdu. Kanser ne­deniyle idrar kesesinin çıkartılması gerektiği za­man, idrar ya doğrudan ciltten çıkıyor ya da ba­ğırsak kullanılarak oluşturulan yapay kese içine doluyor. İdrarın cilde ağızlaştırılması, yaşam ka­litesini azalttığı gibi, sıklıkla da idrar yolları en­feksiyonuna yol açıyor. Bu tür ameliyatlardan sonra uzun dönemde böbrekler zarar görebiliyor. Bağırsaktan yapılan idrar kesesinin de birçok sa­kıncası var. Bu keseler kasılma özelliğine sahip değil. Bağırsak kese içinde biriken idrarın, ara-
lıklı olarak sondayla boşaltılması gerekiyor. Buna ek olarak bağırsağın kendi salgıları, idrar yolu enfeksiyonu için zemin hazırlıyor.
Bilim adamları uzun süredir değişik çözümler arayışında. Son 3-4 yıl içinde yapay mesane oluş­turma çalışmaları olumlu sonuçlar verdi. İdrarı uygun şekilde depolayan ve istenildiğinde boşal-tabilen yapay mesane, deneysel koşullarda oluş­turuluyor. Köpeklerin idrar kesesinden alınan bir parça doku örneği, laboratuvar koşullarında bü­yütülerek üç boyutlu mesane elde ediliyor. Bu­nun için ilk önce, idrar kesesinden alınan parça­daki değişik hücre türleri ayrıştırılıyor. İdrar ke­sesi esas olarak kas hücreleri ve iç yüzeyini kap­layan "mukoza" hücrelerinden oluşuyor. Bu hüc­reler kültür ortamında dört hafta süreyle çoğaltı-
lıyorlar. Belirli bir sayıya gelen hücreler, önceden hazırlanmış olan polimer yapısında ve küre şek­lindeki iskelet üzerine yerleştiriliyor. Kas hücre­leri kürenin dışına, mukoza hücreleriyse iç yüze­ye konuluyor. Bu işlemi takiben belirli bir süre bekleniyor. Sürenin sonunda hücreler birleşerek belirli bir kalınlıkta hücre tabakası oluşturuyor­lar. Sonuçta oluşan yapı, gerçek idrar kesesine çok benzeyen üç boyutlu bir şekil alıyor. İdrar ke­seleri alınan köpeklere nakledilen bu keseler, orijinali gibi işlev görüyorlar. Bu şekilde yapay idrar kesesi nakledilen köpekler idrar biriktirip normal olarak idrar yapabiliyorlar. İlk olarak 1999 yılında üretilerek köpeklerde denenen ya­pay idrar kesesinin insanlarda denenmesi için en az 6-7 yıl daha geçmesi gerekecek.
Nisan 2004 11 BİLİMveTEKNİK
Nisan 2004 11 BİLİM ve TEKNİK
KIKIRDAK
Yaş ilerledikçe eklemlerde ağrılar, yürü­mede zorluk başlıyor; merdiven çıkmak, oturduğu yerden kalkmak, kişi için bir iş­kence haline geliyor. Bunun en önemli ne­deni, eklemler arasında bulunan kıkırdak dokusunun zamanla erimesi. Kıkırdak doku­su genellikle büyük eklemlerde kemikler arasında yer alarak yumuşak ve kaygan bir yüzey oluşturuyor. Bu yüzey sayesinde hare­ket etmemiz mümkün oluyor. Kıkırdak yü­zeyi aşındıkça, eklem aralığı pü'rtüklü bir yüzey haline geliyor ve her harekette sür­tünmeye bağlı ağrılar oluşuyor. Kıkırdak dokusu yalnızca eklemlerde yer almıyor, -ü Burun ve kulak gibi organlara şeklini veren de kıkırdak. ABD'de ilk onaylanan yapay kıkır­dak, bir diz ekleminden alınan hasarlı kıkırdak dokusundaki hücrelerden üretildi. "Kondrosit" denen hücreler deneysel koşullarda üretilerek ya­pay kıkırdak elde edildi. Kıkırdak dokusunun di­ğer dokulardan en önemli farkı, içinde kan da­marlarının olmaması. Kıkırdak, damarlardan ge­len kanla değil, yüzeyinden içine sızan sıvılarla besleniyor. Kanın süzülmüş hali olan bu sıvı, kı­kırdak hücreleri arasına sızarak onlara oksijen ve besinleri ulaştırıyor. Kıkırdak dokusu çok kalın bir tabaka oluşturmadığı için bu şekilde beslen­mesi yeterli. Kan damarları olmadığı için yapay kıkırdak oluşturmak, karaciğer ya da kalp gibi organları oluşturmaya göre daha kolay.
Günümüzde yapay kıkırdak oluşturmak için değişik yöntemler kullanılıyor. Bunların ilki, kı­kırdak hücrelerinin kültür ortamında üretilerek daha önceden hazırlanmış üç boyutlu iskeletlere yerleştirilmesi yöntemi. Kendiliğinden eriyebilme özelliğine sahip olan iskeletler üzerine yerleştin-
len kıkırdak hücreleri çoğalarak, istenilen şekilde üç boyutlu bir yapı haline geliyorlar. Oluşturulan bu yapay kıkırdak dokusu istenilen bölgeye nak-ledilebiliyor. Diğer bir yöntemse, süngerimsi bir yapının içindeki gözeneklerde kıkırdak hücreleri­ni çoğaltmak. Süngerimsi yapılar kollagen ve GAG (glükozaminoglikan) içeriyor. Bunlar hücre­lerin büyümesi ve doku iyileşmesini hızlandırıcı maddeler. Hücrelerin barınması ve çoğalması için gerekli ortamı sağlayan süngerimsi yapılar, bir süre sonra kendiliğinde eriyerek kayboluyorlar. Geriye kıkırdak hücreleri ve bunları destekleyen ara dokular kalıyor.
Yapay kıkırdak oluşturulmasında son yıllarda katı iskeletler yerine jel kıvamında oluşumlar kul­lanılıyor. Bilim adamları, kıkırdak hücrelerinin çoğalmaları ve büyümeleri için üç boyutlu katı is­keletlerin gerekli olmadığını belirtiyorlar. Kıkır­dak hücreleri, "hidrojel" denen özel bir jel için­de de yetiştirilebiliyor. Hidrojeller büyük oranda su, ayrıca hücreleri bir arada tutmaya yarayan
fibrin ve trombin denen yapıtaşlarını da içeriyor. Hidrojeller, dokuların şeklini alabilecek elastikiyete sahip. Vücut dışın­da üretilen üç boyutlu kıkırdak dokuları yerine hidrojel içine yerleştirilen hücre­ler, vücudun istenildiğinde bölgelerine enjekte ediliyor. Üç boyutlu katı yapay kıkırdak dokusunu eklemlere yerleştir­menin teknik zorlukları, hidrojeller için sözkonusu değil. Hidrojeller enjekte edil­dikleri eklemin şeklini alıyorlar. Bir süre sonra hücreler çoğalarak yapay bir kıkır­dak dokusu oluşturuyorlar. Hücreleri bir arada tutan hidrojelse bir süre sonra yı­kıma uğrayarak kayboluyor. Geri kalan kıkırdak hücreleri arasında oluşan kollagen lifle­ri yapay doku için gerekli desteği sağlıyor. Kıkır­daklar, vücudun en fazla basınca maruz kalan bölgeleri. Yapay kıkırdakların vücuttaki dayanık­lılığını artırmak için jellerin kollagen ve GAG ile desteklenmesine çalışılıyor.
Vücutta çok önemli görevleri olan kıkırdak dokusunun yapay olarak üretilmesi, doku mühen-disliğindeki büyük aşamalardan biri. Yaşla bozul­maya uğrayan kıkırdaklarımızın değiştirilmesi, adeta eskiyen arabanın tekerlek ve amortisörleri­nin değiştirilmesi gibi çok daha kolay ve düzgün hareket edebilmemizi sağlayacak. Yeni geliştiri­len yapay kıkırdakların kemiğe yakın kısmındaki hücrelerin, kayganlaştırıcı bir salgı ürettikleri gösterildi. Yani yapay kıkırdak kendi motor yağı­nı da üretebiliyor. Önümüzdeki 10 yıl içinde, bel­ki de 80-90 yaşlarında bir insan, yapay kıkırdak­lar sayesinde merdivenleri hiç ağrı çekmeden iki­şer ikişer çıkabilecek.
KEMİK
Bazı kemik hastalıkları, tümörler ya da kötü kırıklar büyük kemik hasarlarına yol açabiliyor. Kemik kaybı olan kısımların onarılması oldukça zor. Her ne kadar kemik dokusu kendisini yeni­leme yeteneğine sahip olsa da, oluşan büyük boş­lukları dolduramıyor. Örneğin tümör nedeniyle çıkartılan 10 santimetrelik kemiğin yeniden olu­şarak burayı doldurması mümkün olmuyor. İyi bir kemik iyileşmesi için, kemik uçlarının yakın­laştırılması ve karşılıklı getirilmesi gerekiyor. Çe­şitli cerrahi tekniklerle kemik boyu uzatılarak boşluklar doldurulsa da, bu her hastada mümkün olamıyor ya da uzun süre alıyor. Kadavralardan alınan kemiklerin nakliyse, bağışıklık sistemi engeliyle karşılaşıyor. Seramik ya da metal malzemeden yapılan kemikler de, uzun dönemde yabancı cisim etkisi nedeniyle reaksiyona yol açıyor. Bu­na ek olarak, yabancı maddelerin yol açtı­ğı önemli sorunlardan biri de enfeksiyon.
Geliştirilen yapay kemikler sayesinde kemik kaybına yol açan kırıklar ya da has­talıklar tedavi edilebilecek. Bilim adamları
gerçek kemik dokusuna oldukça yakın bir yapay kemik dokusu oluşturmayı başardılar. Bu teknik­te ilk olarak, kemiğin iç ve dış yapısı kompüteri-ze tomografi (CT) ya da magnetik rezonans (MRI) tetkikleri yardımıyla görüntüleniyor. Olu­şan bu görüntüler daha sonra bilgisayara aktarı­lıyor. Kemik, dış yüzeyi oldukça pürüzsüz ve içi dolu gibi görünse de, ortası boş ve gövde kısmı iyi organize olmuş ince tabakalardan, yani lamel­lerden oluşuyor. Bu yapı, en ince hatlarına kadar bilgisayara yüklendikten sonra üç boyutlu poli-
mer iskelet oluşturuluyor. Belirli bir zaman so­nunda kendiliğinden erime özelliğine sahip bu is­kelet, oldukça sağlam yapıda. Vücuda yerleştiril­dikten bir süre sonra kemik hücreleriyle doluyor. Vücut kendi kemik dokusunu oluşturdukça bu is­kelet kayboluyor.
Son yıllarda yapay kemik çalışmaları daha da ileri giderek yalnızca şekil olarak değil, yapısal olarak da orijinaline çok yakın yapay kemik oluş­turmayı başardı. İnsan vücudundaki hücreleri ve dokuları bir arada tutan, bir bakıma tutkal göre­vini gören "kollagen", yapay kemik iske­leti oluşturmakta da kullanılıyor. Bilgisa­yar yardımıyla üç boyutlu ve kemik şeklin­de kollagen iskelet oluşturulduktan sonra, içine kalsiyum fosfat kristalleri yerleştirili­yor. Bu kristaller iskelete kemik sertliğini veriyor. Vücuda nakledildiğinde, kemik hücreleri bu yapının içine doluşarak çoğal­maya başlıyorlar. Kısa bir sürede iskeletin içi orijinal kemik dokusuyla doluyor. Böy­lece nakledilen yapay kemik, hastanın kendi kemik dokusuyla kaynıyor.
BİLİM veTEKNİK 12 Nisan 2004
KORNEA
KAS
İdrar kaçırma, kişileri büyük sı­kıntıya düşüren rahatsızlıklardan bi­ri. İdrar kaçırmanın birçok nedeni var. İleri yaşta ve çok çocuk doğuran bayanlarda ya da sinir sistemini etkile­yen bazı hastalıklarda görülen idrar ka­çırma, genellikle dış idrar yolunda bulu­nan ve kapak görevi gören kasın za­yıflamasına bağlı olarak ortaya            çıkıyor. Bu tür hasta­larda, aya­ğa kalkın- ca, yürü- yünce, öksürün- ce ya da gülünce idrar ani­den kaçıyor. Bazı du­rumlarda yatarken bile idrarı biriktirmek mum- kün olmayabiliyor. Çeşitli ilaçlar, vücuda yerleştirilen elektrodlar ya da yapay ka­pak görevi gören cihazlar, tedavi amaçlı kullanılsa da hiçbiri sağlıklı kasların yerini alamıyor. Doku mühendisleri, laboratuvar koşullarında kas hücreleri üreterek idrar ka­çırma sorununa çözüm ge­tirme yolunda önemli bir adım attılar. Kas hücrele­rini üretmek için kök hüc­reler kullanılıyor. Bunun için uygun ortam sağlanarak, kök hücrelerin kas hücrelerine dönüşmeleri sağlanıyor. Bir süre için kültür ortamında bekletile­rek çoğaltılan ve olgunlaştırman kas hücreleri "üretra" denen dış idrar kana­lı çevresine enjekte ediliyor. İdrarı tutmayı sağla­yan kaslı bölgeye enjekte edilen bu hücreler, za­man içinde diğer kas hücreleriyle kaynaşarak gö­revlerini yapmaya başlıyorlar. Yapılan çalışmalar, bu hücrelerin diğer sağlıklı kas hücreleri gibi ka-
sılma yeteneğine sahip oldukla­rım gösteriyor. Hücreler, enjek­te edildikleri bölgedeki hasarlı kas hücrelerinin yerini aldıkları için buradaki kası daha da güç­lendiriyorlar. Bu sayede kaslar, idrarı tutmak için kapak görevini daha iyi yapıyorlar.
İdrar kaçırma sorununa bir başka çözümse, kişi-
nin kendi hüc relerinin kül-tür ortamın­da çoğaltılma­sı. Çoğaltılan hücreler özel bir sentetik jelle karıştırı­larak kişiye ye­niden enjekte edi-liyor. Bu karışımın enjekte edildiği yer­se, mesane boynu de­nen, idrar kesesinin çı­kış kısmı. Hücreleri ba­rındıran jel vücutta eri­meye uğradıktan sonra, hücreler çoğalarak me­sane çıkışını sıkılaştırı-yor. Doku mühendisli­ğinin bu konudaki son gelişmelerinden bir diğeriyse, yapay id­rar kanalı, yani üret­ra oluşturmak. Kolla-gen bir matriks üzerine yerleştirilen kas hücrele­ri, doğal bir üretra görevi görebiliyor. Yapay üretra, insan üretrasındaki küçük hasarlı bölgelerin tamirinde ba­şarıyla kullanıldı. Ancak FDA onayı alması için klinik çalışmaların sonuçları bekleniyor. Yapay idrar kesesi ve yapay üretra birlikte kullanılarak, alt idrar sistemini tümüyle yenilemek mümkün olabilecek.
Gözün en dış tabakası olan kornea herhangi bir nedenle hasara uğrayınca görüş kapasitesi önemli ölçüde azalıyor. Bazı durumlarda hasar ka­lıcı olup körlüğe kadar ilerliyor. Bu durumlarda tek seçenek hasarlı korneayı yeni bir kornea ile değiştirmek oluyor. Kalıcı ve ileri dereceli kornea hasarlarında halen en sık kullanılan tedavi yön­temlerinden biri, kornea nakli. Teknik olarak çok fazla zorluğu olmayan bu yöntemde, kornea, ka­davralardan temin ediliyor. Kornea, kıkırdak do­kusu gibi "difüzyon" yoluyla, yani besinlerin ve oksijenin hücreler arasına sızmasıyla yaşamını de­vam ettiriyor. Kan damarlarının olmaması, korne­ayı bağışıklık sistemi açısından avantajlı hale ge­tirmesine karşın doku reddini tam olarak ortadan kaldırmıyor. Kornea hücreleri vücut tarafından ya­bancı olarak kabul edilip reddedilebiliyor. Bunu engellemek için kornea nakli yapılan hastaların, sürekli olarak bağışıklık sistemini baskılayan ilaç­lar kullanmaları gerekiyor. Kornea naklinin bu ve benzer dezavantajları yapay kornea fikrini günde­me getirdi. Bilim adamları, büyü'k oranda su içe­ren ve polimer yapısında olan jeller geliştirdiler. "Hidrojel" denen bu yapay kornealar, esneme ye­teneğine sahip, elastik yapılar. Hidrojel yapay kornealar, nakil için risk taşıyan ya da ilaç kulla­nılması istenmeyen hastalarda tercih ediliyor. Ya­pay korneayı yerleştirmek için hastanın kendi kor­neasının bir kısmı kesiliyor; kesilen yerde oluşan boşluğa hidrojel kornea naklediliyor. Bu korne­alar sayesinde, yasal olarak tam kör kabul edilen kişilerin görmelerinde önemli ilerleme kaydedili­yor. Yapay kornealar halen normal görüş sağla-masalar da, doku mühendisliği ve polimer kimya-sındaki gelişmeler sayesinde her geçen gün oriji­naline daha çok benzer hale getiriliyorlar.
YEMEK BORUSU
Özafagus olarak adlandırılan yemek borusu, kanser ya da yaralanmalara bağlı olarak hasar göre­biliyor. Çocuklarda yağ çözücü sıvıların, lavobo açı­cı ya da çamaşır suyu gibi kimyasal maddelerin içil­mesine bağlı olarak yemek borusunda kalıcı hasar­lar ve daralmalar meydana geliyor. Yemek yemeyi engelleyecek şekilde oluşan hasarlar, ya da yemek borusunun çıkartılmasını gerektiren durumlarda ya­pay bir yemek borusu gerekiyor. Bağırsak parçaları yemek borusu olarak kullanılabiliyor. Ancak bağır­sak, bu işi tam olarak yerine getiremiyor. Ayrıca sal­gıladığı maddeler, yutma zorlukları ortaya çıkarıyor.
Hayvanların derisindeki kollagen kullanılarak
yapay yemek borusu oluşturuldu. Burada ilk basa­mak, tip l kollagen içeren süngerimsi boru oluştur­mak. Üç boyutlu yapısını koruyabilmesi için de, içi­ne silikon bir tüp yerleştiriliyor. Yemek borusunun alt ve üst uçları arasına yerleştirilen bu yapay tüp, birkaç hafta içinde diğer dokularla kaynıyor. İki haf­ta içinde süngerimsi borunun içi, hayvanın kendi bağ dokusu ve kollagen lifleriyle doluyor. Yaklaşık bir ay sonra, yapay yemek borusunun içinde destek görevi gören silikon tüp çıkartılıyor. Bağ dokusun­dan oluşan yeni yapay yemek borusunun içi 2-3 haf­ta içinde sindirim sisteminin iç yüzeyinde bulunan "mukoza" hücreleriyle kaplanıyor. Bir ay içinde ya-
pay borunun dış kısmında kas hücreleri beliriyor. Bu hücreler, yemek borusunun ek yapıldığı uçlardan başlayıp ortaya kadar ilerliyorlar. Çoğalan kas hüc­releri kısa bir sürede iç ve dış olmak üzere iki taba­ka halini alıyor. Bu hücreler, yemek borusunun ka­sılıp yemeklerin mideye itilmesini sağlıyorlar . Yapay yemek borusunun bağlandığı uçlardan, hücrelerin farklılaşmasını ve olgunlaşmasını sağlayan faktörle­rin salgılandığı, bunun da farklı katlar oluşmasına yol açtığı düşünülüyor. Yapay yemek borusu çalış­maları henüz deneysel aşamada olsa da işlevsel bir organ oluşturulması açısından oldukça önem taşı­yor.
Nisan 2004 BlLİMveTEKNİK
BİYOBOZUNUR BİYOPOLİMERLER
Hastalık ya da kazalar nedeniyle işlev göre­mez hale gelen organın yerine sağlıklı bir yeni­sinin değişik yöntemlerle oluşturulması; günü­müzde hücre biyolojisi, polimer kimyası, malze­me bilimi, biyomedikal mühendisliği ve biyokim­ya alanlarının yer aldığı, çok disiplinli bir araş­tırma alanıdır. Biyobozunur polimerleri bir orga­nın destek malzemesi olarak kullanarak yapay organ oluşturma girişimleri son yıllarda hız ka­zanmıştır.
Hepatit B ve C enfeksiyonlarının yaygın oldu­ğu ülkemizde, bu ve diğer karaciğer hastalıkları­nın komplikasyonu olarak, her yıl binlerce hasta akut karaciğer yetmezliğine yakalanıyor, bunla­rın önemli bir bölümü karaciğer nakli için uygun verici bulunamadığı için kaybediliyor. Akut kara­ciğer yetmezliğine yakalanan ve verici bekleme süresince bir karaciğer desteğine gereksinim du­yan pek çok hastanın yaşamının doku mühendis­liği uygulamalarıyla uzatılabileceği düşünülerek, insan çalışmaları öncesinde deneylerin bir hay­van modelinde gerçekleştirileceği bir çok disip­linli proje oluşturulmuş durumda. TÜBİTAK, Gen Mühendisliği ve Biyoteknoloji Araştırma Enstitü-sü'nde bu konuda 2001 yılında başlatılan, Tek­noloji İzleme ve Değerlendirme Başkanlığı (Tİ-DEB) destekli bir EUREKA projesi olan "Karaci­ğer yetmezliğinde işlev yapabilecek bir yapay ka­raciğerin biyopolimerler kullanılarak eldesi, kap­samında çalışmalar sürdürülüyor.
Bu projede, biyobozunur biyopolimerler üze­rine yerleştirilen karaciğer hücrelerinin çoğalma­ları, dokusal organizasyonu tamamlayarak işlev­sel bir yapay karaciğer oluşturmaları amacıyla, hücre kültürü (in vitro) ve canlı hayvan deneyle­rinin (in vivo) gerçekleştirilmesi hedeflenmekte. Hücrelerin elde edilmesi ve hayvan deneyleri için, bir laboratuvar deney hayvanı olan Sprague-Daw-ley sıçanları kullanılıyor.
Hedefe varmak için birbirinden farklı üç alanda deneyler yapılıyor. Bunlardan biri, biyo­bozunur biyopolimerlerin oluşturulması. Bunlar, üzerine eklenen sağlıklı hücrelerin tutunup ço­ğalması için bir destek, iskelet işlevi üstleniyor ve hücrelerin çoğalıp istenen organın hacmi ve işlevine erişme sürecine paralel olarak, vücutta reaksiyon yaratmayan küçük moleküllere ayrışa­rak ortadan kalkıyorlar. Projede bu biyopolimer­ler, dünyada da bu amaçla çok kullanılan laktik ve glikolik asit monomerleriyle oluşturuluyorlar; ancak, hücrelerin özgün olarak bu yapıya tutun­malarını sağlayacak molekülleri de bu polimerle-re katmak yoluyla, bu çalışmalar bir ileri aşama­ya taşınmış durumda.
Vücudumuzdaki dokularda hücrelerin tutun­maları, çeşitli proteinlerden oluşan ve hücre-dışı matriks (extra-cellular matrix/ESM) olarak adlan­dırılan bir organize protein tabakasıyla etkileşim yoluyla gerçekleşiyor. Bu, hücre yüzeyindeki pro­teinlerin ESM proteinleriyle etkileşimlerine daya­nıyor ve hücrenin bulunduğu dokunun içindeki yerini belirlemesini, bir anlamda "hissetmesini" sağlıyor. Doku mühendisliğinde çözümlenmesi gereken temel sorun, hücrelerin bulundukları yeri doğru algılayarak hem özgün olarak tutun-
malarını sağlayan, hem de fenotiplerinin; yani belirli bir hücreyi o hücre yapan özelliklerin kay­bolmasını önleyen bir biyomateryali oluşturabil­mek ve kullanmak. Bu amaçla, ESM proteinleri­ne ait peptit dizileri, grubumuzda oluşturulan bi-yopolimerlere ekleniyor.
Bir diğer çalışma konusu, karaciğer hücreleri (hepatositler)'dir. Projede kullanılan karaciğer hücreleri, sağlıklı hayvanlardan enzim perfüzyo-nuyla izole edilerek kültür ortamında inceleniyor­lar. Bu hücreler, bulundukları dokudan çıkarıla­rak yerleştirildikleri kültür ortamında, fenotiple-rini yani karaciğer hücresi olma özelliklerini hız­la kaybederler. Bunu önlemek amacıyla çeşitli yaklaşımlar denenmekte. Bu da dünyada üzerin­de çok çalışılan bir sorun. Bu değişimleri hücre­lerde gen ve protein ifadeleri ölçülerek izleniyor. Bu amaçla, modern moleküler biyoloji yöntemle­ri olan kantitatif revers transkriptaz-polimeraz zincir reaksiyonu (hücrelerdeki mRNA'ların izo­lasyonu, bunlardan cDNA oluşturulması ve sonra­sında ilgilenilen genin polimeraz zincir reaksiyo­nuyla çoğaltılarak ölçülebilir hale getirilmesi yön­temi, Q RT-PZR) ve Western blotlama (hücreler­deki tüm proteinlerin izolasyonu, jel elektrofore-zi ile ayrılmaları, bir zara transfer edildikten son­ra ilgilenilen proteinin peroksidaz ya da kemilü-
minesans gibi bir sinyal yayan antikorla işaretlen­mesi ve sinyalin ölçülerek protein miktarının be­lirlenmesi yöntemi) gibi teknikler kullanılıyor.
Projedeki üçüncü çalışma alanı, doku mühen­disliğinde her hücre-biyopolimer implantında kar­şılaşılan önemli bir sorun: biyopolimer yapının içindeki hücrelerin beslenme ve oksijenlenmesi. Birkaç yüz mikrondan daha kalın yapıların içine besin ve oksijen difüzyonu olmuyor ve bunlarda damarlanma (anjiyogenez) yoluyla kılcal damar oluşumu gerekiyor. Dünyada ileri laboratuvarlar-da üzerinde yoğun çalışmaların sürdüğü bu "imp-lant damarlanması"nın gerçekleşmesi için, ama­cıyla, damarlanmayı uyarıcı bir protein olan vas-küler endotelyal büyüme faktörü (VEGF)'nün bi­yopolimer yapıdan ortama yayılması (salımı) sağ-laıyor. Bununla hedeflenen, implant çevresindeki dokulardan kılcal damarların implant içine geliş­meleri ve kanlanmanın oluşması, VEGF proteini­ni ortama kontrollü olarak salmak amacıyla, için­deki maddeyi kontrollü salım ile serbestleyen mikrokürelerin sentez ve karakterizasyonu üze­rinde çalışmalar sürmekte.
2004 yılında, hücre-biyopolimer-mikroküre karışımlarının hayvanlara cerrahi girişimlerle implante edilmesiyle yapılacak in vivo deneylerin başlaması hedeflenmekte. Bu projede elde edile­cek başarılı sonuçlar, insanlarda da çalışmaların planlanabilmesini sağlayacak.
Enstitünün temel misyonuna uygun olarak, bu projede çalışmalar, özel kuruluşlar ve üniver­sitesiyle işbirliği yapılarak yürütülmekte. EURE­KA proje ortağı olan Eczacıbaşı İlaç Sanayii ile mikroküre çalışmalarında; Kocaeli Üniversitesi, Çocuk Cerrahisi Anabilim Dalı ile de hayvan de­neylerinde süren işbirlikleri, projenin ilerlemesin­de önemli bir faktör.
Doç. Dr. Kemal Baysal
TÜBİTAK, Gen Mühendisliği ve
Biyoteknoloji Araştırma Entitüsü
BİLİM veTEKNilK 14 Nisan 2004
BİYOSİ NYALLERVE DOKU MÜHENDİSLİĞİ
Bilindiği gibi vücudumuzdaki doku ve organlar; canlı hücreler ve bunları birara-da tutan "hücre dışı matris" (extracellular matrix, kısaca ECM)'ten oluşuyorlar. ECM karmaşık yapı ve işleve sahip bir iskelet gibi düşünülebilir. Bileşimi, doku ve or­ganların özellik ve işlevine göre değişiyor. Örneğin, kemiğin sertliğini ve uzamasını etkilerken, kıkırdağın direncini, kan da­marlarının basınca dayanımını ve esnekli­ğini, derimizin elastikliğini ayarlıyor. ECM'in bir diğer önemli rolü de, hücre üremesi, gelişmesi ve yara iyileşmesi sıra­sında, çözünebilen yapıdaki sinyal mole­küllerini salması. Çünkü ECM, bu sinyal moleküller için bir depo oluşturuyor. "Bü­yüme faktörleri" olarak da bilinen bu mo­leküller büyüme, farklılaşma, salgılama ve ölüm gibi çeşitli hücresel işlevleri düzenliyorlar. Her biyosinyal, hücre yüzeyinde bulunan ve yal­nızca o faktörü tanıyan bir almaca (reseptör) sa­hip. Biyosinyaller bu almaca bağlanarak hücresel işlevleri etkinleştirmeye başlıyorlar. Ancak, sin­yal molekülleriyle hücre arasındaki etkileşimin mekanizması henüz tam olarak anlaşılamamış.
Biyosinyaller, genlerin ürünü olan küçük pro­tein molekülleri. Bazıları işlevsel açıdan son de­rece özgülken, kimileri daha geniş bir etkinliğe sahipler. Çeşitli biyosinyal moleküller mevcut. Hepatosit büyüme faktörü (HGF), epidermal bü­yüme faktörü (EGF), eritropoietin (Epo), fibrob-last büyüme faktörü (FGF), insüline benzer büyü­me faktörü (IGF), interlökinler, sinir büyüme fak­törü (NGF), damar endotel büyüme faktörü (VEGF), doku mühendisliği açısından önemli olan biyosinyallerden bazıları.
Gelelim biyosinyallerin doku mühendisliğin-deki rolüne...
Doku hasarının onarımında değişik yaklaşım­lar mevcut. Eğer onarılacak dokunun, yeniden yapılanma (yani rejenerasyon) kapasitesi yüksek se, hasarlı bölgeye yerleştirilen 3-boyutlu ve biyo-bozunur yapıdaki "doku iskeleti" üzerinde, çev­redeki sağlıklı dokudan göç eden hücrelerce ye­ni doku oluşturulacaktır. Ancak dokunun yeniden yapılanma potansiyeli düşükse, boş doku iskele-
Hücre
Matris
etkileşimi
hızla dışarıya doğru uzaklaşıyorlar. Uzun süreli etki, "kontrollü ilaç salım sistemleri'nin devreye sokulmasıyla sağlanıyor. Bu yöntemde, biyosinyal bir taşıyıcı içine hapsedilerek, etki göstere­ceği bölgeye gönderiliyor. Böylelikle, biyosinyal molekül, hem ortamdaki bo­
zucu etkilerden korunmuş oluyor, hem de etkinliğini uzun süre devam ettiri­
yor.
Biyosinyali taşıyan yapı, çoğunlukla bir polimer. Kollajen, jelatin, aljinat, agaroz gibi doğal polimerlerin yanısıra poli (laktik asit) (PLA) temelli yapay po-limerler ve hidroksiapatit gibi biyosera-mikler, kullanılan başlıca taşıyıcılar.
Yapılan bir çalışmada, fibroblast bü-
Hücre farklılaşması
Hücresel işlevler
yüme faktörü (FGF) içeren jelatin kap­süller, fare sırtında açılan yaraya yerleştirildikle­rinde bu bölgede yeni damarların oluştuğu göz­lenmiş, FGF aynı bölgeye enjekte edildiğindeyse damar oluşmamış. Bu durum, FGF'nin enjeksiyon sonrasında bu bölgeden hızlı biçimde uzaklaşma­sına bağlanmış. FGF yüklü jelatin taşıyıcıların ke­mik onarımı açısından etkinlikleri, tavşan ve may-munlardaki kafatası kemiklerinin onarımında in­celenmiş. Maymunda kafatasındaki bir açıklığa yerleştirilen FGF yüklü taşıyıcının, bu bölgedeki kemik onarımını hızlandırdığı ve 21 gün sonra açıklığı neredeyse tamamen ortadan kaldırdığı gözlenmiş.
Protein yapıdaki bir biyosinyalin kullanımına seçenek olarak, bu molekülü kodlayan bir genle doku mühendisliği için bir deneme yapılmış. Eğer, bir biyosinyal molekülü kodlayan gen, ha­sarlı bölgedeki hücrelere aktarılacak olursa (gen transferi), hücrelerin doku yenilenmesini sağlaya­cak boyutta büyüme faktörü salgılamaları müm­kün olabilir. VEGF, FGF ve TGF gibi büyüme fak­törleri için bu tür gen tedavilerinin mümkün ol­duğu bazı hastalıklar rapor edilmiş. Fakat, gen transferi için vektör (taşıyıcı) geliştirilmesi bu alandaki en büyük problem; çünkü şu an kulla­nımdaki vektörler ya uygun biyogüvenliğe ya da yeterli etkinliğe sahip değiller.
Sonuç olarak, vücut dokularının yeniden yapı­lanmasında çok çeşitli biyosinyal molekül etkin. Ancak, henüz hangi biyosinyallerin anahtar ko­numda olduğu açık değil. Biyosinyal molekülleri bu amaç için kullanıldıkça, kontrollü salımları da vazgeçilmez olacak. Doku mühendisliği henüz ilk adımlarını atmakta olan genç bir bilim dalı, kont­rollü salım teknolojisi de oldukça yeni bir alan. İki teknolojinin ortak meyvelerinin toplanması, biraz daha zaman alacak gibi gözüküyor.
Prof. Dr. Menemşe Gümüşderelioğlu Arş. Gör. Hilal Türkoğlu
Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisliği ve Biyomühendislik Anabilim Dalları
Biyosinyaller (şematik)
ti yeterli olmaz, bu durumda hücrelerin ve biyo­sinyallerin ortama eklenmesi gerekir. Bu nokta­da aklımıza gelen ilk soru, "acaba biyosinyalleri nereye ve hangi yöntemle ekleyelim?" olacak. Kuşkusuz en basit yöntem, biyosinyalleri hücre üremesinin olduğu yere enjekte etmek. Ama bu yöntem etkili olmuyor. Çünkü biyosinyaller çok kısa sürede (yaklaşık l günde) hasarlı bölgeden
Nisan 2004 15 BİLİMveTEKNİK