Gerekli Gelişmeler

Dünya çapında gerçekleşen binlerce organ nakline rağmen, sürekli artan organ bağışı talebini karşılayamıyor. Ne yazık ki, yaşayan ve ölmüş donörler bugün bu hayat kurtaran organlar için tek geçerli kaynak, çünkü onları bir organ fabrikasında üretemiyoruz. Hala.

Rejeneratif tıp, hasar görmüş hücreleri onararak hatta değiştirerek organ ve dokunun yeniden büyümesini teşvik etmek için yöntemler geliştiren disiplinler arası bir tıp dalıdır. Kök hücre tedavisi ve doku mühendisliği dahil olmak üzere, 3D baskının kapsamlı bir şekilde araştırıldığı çok çeşitli teknikler kullanır.

Bu yazıda, organ türüne göre organize edilmiş 3D basılı organ projelerindeki en son ve en heyecan verici gelişmeleri gözden geçireceğiz. Detaya girmeden önce, 3D biyoyazının gerçekte ne olduğunu ve doku ve organ üretmek için nasıl uygulanabileceğini belirleyelim.

Biyolojik Baskı Hakkında Her Şey

(Kaynak: Technology Networks aracılığıyla Magnus Johansson)

Özetle, 3D biyo-baskı temelde doku mühendisliği için üç boyutlu yapılar oluşturmak için katmanlı üretim tekniklerinin uygulanmasıdır. Organik yapıların tasarlanmasından materyalin olgunlaşması olarak bilinen post-stimülasyonuna kadar yüksek derecede karmaşıklığa sahip çoklu süreçleri içerir.

Farklı biyo-baskı yöntemleri varken, belki de en yaygın olanı, viskoz bir malzemenin ekstrüde edildiği ve katman katman biriktirildiği FDM benzeri bir işlemdir. Bu malzeme biyoink olarak bilinir ve çoğunlukla hücrelerden ve taşıyıcı maddelerden oluşur ve bu genellikle 3D iskele olarak çalışan bir biyopolimer jeldir.

Bioink geliştirme, tıbbi araştırmacılar ve bioprinter geliştiricileri ile el ele çalışan kendi araştırma alanıdır. Biyolojik baskı henüz daha başlangıç aşamasındayken, bu makalede göreceğimiz gibi şu ana kadar pek çok heyecan verici atılım gerçekleştirildi.

Şimdi, daha fazla uzatmadan, bugüne kadarki en umut verici organ 3D baskı projelerinin bazılarından bahsedelim.

Böbrek

En çok ihtiyaç duyulan nakil organları olan böbrekler, mükemmel biyo-baskı adaylarıdır (Kaynak: LEAF üzerinden Nicola Bagala)

Böbrek, esas olarak iç yapısıyla ilişkili büyük karmaşıklık nedeniyle, yeniden yaratılması belki de en zor olan organlardan biridir. Oysa böbrek, nakil için en çok ihtiyaç duyulan organdır, bu nedenle 3D organ seri üretimi için en uygun adaydır.

Bu amaçla, 2016’da Harvard Üniversitesi’ndeki Lewis Laboratuvarı’ndan bilim adamları, proksimal tübüller adı verilen nefronun küçük bölümlerinin oluşturulmasına izin veren yeni bir biyo-baskı yöntemi geliştirdiler. Nefronlar böbreğin en temel yapısıdır ve bu organlardaki tüm kanın süzülmesinden sorumludur.

2019’a hızla ilerleyen Amerikan biyo-baskı şirketi Organovo , kendi biyo baskı platformu Organovo NovoGen aracılığıyla böbrek organoidlerinin başarılı otomatik üretimini duyurdu. Bunlar, nispeten hızlı bir şekilde çok sayıda üretilebilen, kendi kendini düzenleyen kök hücre temelli yapılardır.

Daha yakın bir tarihte, Eylül 2020’de, United Therapeutics Corporation İsrail rejeneratif tıp şirketi CollPlant Biotechnologies ile malzeme teknolojisini (rhCollagen) böbrek biyo baskı geliştirmeye uygulamak için ortaklık kurdu.

Karaciğer

Organovo’nun 3D biyo yazıcı, karaciğer dokusu yamaları üretebilir (Kaynak:  Bruce V. Bigelow, Xconomy)

ABD’de, 4.5 milyon kişiden fazlası karaciğer hastalığı ile mücadele etmektedir. Bu, tüm popülasyonun neredeyse %2’sidir ve bugün itibariyle, son dönem karaciğer hastalığı için tek uygulanabilir tedavi transplantasyondur. Ne yazık ki, organ ihtiyaçları ile bulunabilirlik arasındaki uçurum genişlemeye devam etmektedir.

2016 yılında, San Diego California Üniversitesi’nden araştırmacılar, hem mimari hem de işlev açısından gerçek karaciğer yapılarını taklit eden organik dokuyu 3D yazdırmayı başardılar. O zamanlar, bu tür biyo-mühendislik ürünü dokular ilaç endüstrisi tarafından ilaç geliştirme ve test için kullanılıyordu.

Organovo (yukarıda böbrek ilerlemelerinde bahsedilmiştir) ayrıca karaciğer dokusu yamalarını 3D biyoyazıyı da yapabildi ve 2018’de onları canlı farelere yerleştirmek için daha da ileri gitti. İmplantasyondan bir ay sonra doğrulanan doku tutulması ve işlevselliği ile sonuçlar çok olumlu oldu. O zamanlar, 2020’de insan denemeleri için kısmi karaciğer nakli hedefleniyordu, ancak henüz gerçekleştirilmedi.

São Paulo Üniversitesi’nden Brezilyalı araştırmacılar, 2019’un sonlarında “minyatür karaciğerler” in başarılı bir şekilde biyo-basıldığını bildirdi. Bu organoid yapılar insan kan hücrelerinden geliyordu ve protein üretme, vitamin depolama ve hatta safra salgılama gibi karaciğer normal işlevlerini yerine getirdiler. Araştırmacılara göre, hastanın kanının alınmasından mini karaciğerlerin son olgunlaşmasına kadar tüm süreç yaklaşık 90 gün sürdü.

Kalp

2019, tamamen vaskülarize edilmiş ilk 3D baskılı mini insan kalbini gördü (Kaynak: Reuters aracılığı ile Amir Cohen)

Şimdiye kadar 3D biyo-baskılı organların en umut verici projeleri kalp için olanlardır. Kalp aslında yeniden yaratılması en kolay olan organlardan biridir çünkü karmaşık biyokimyasal reaksiyonlar uygulamaz. Aksine, birincil işlevi bir hidrolik pompa olarak hareket etmektir.

Wake Rejeneratif Tıp Orman Enstitüsü (WFIRM) bir Amerikan araştırma enstitüsüdür ve nakil dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için doku mühendisliği üzerine odaklanmıştır. 2018’de bir WFRIM araştırma grubu, fare hücrelerini kullanarak 3D biyo-baskılı fonksiyonel kalp dokusuna sahip olduklarını iddia ettiler.

2019’da Tel Aviv Üniversitesi Moleküler Hücre Biyolojisi ve Biyoteknoloji Okulu’ndan araştırmacılar , ilk kez tamamen vaskülarize edilmiş 3D baskılı mini insan kalbi ile dünyayı sarstı. Bu biyo-baskılı organ, bir hastadan ve taşıyıcı jellerden alınan insan hücrelerinden yapılmıştır. TAU’nun ekibi şu anda kalp hücrelerini olgunlaştırmak ve onları tamamen işlevsel hale getirmek için çalışıyor.

Chicago merkezli Biolife4D şirketi de 2019’da benzer bir atılım gerçekleştirerek kendi biyo-baskılı kalbini duyurdu. Bu, Tel Aviv Üniversitesi’nde geliştirilene kıyasla çok daha işlevsel aynı zamanda geniş ve büyüktü.

Son birkaç yıldaki pek çok önemli atılımla uzmanlar, nakil için hazır biyo baskılı bir kalbin on yıl içinde mevcut olabileceğini tahmin ediyor.

Kornea

Newcastle Üniversitesi’ndeki bilim adamları, nakil amaçlı 3D biyo baskılı korneaların ön saflarında yer almaktadır (Kaynak: Elizabeth Montalbano, Plastic Today aracılığıyla)

Kornea, gözün berrak, en dış tabakasıdır. Vizyonumuza odaklanmak ve gözü çevreden korumak için çok önemlidir. Dünya çapında milyonlarca insan, genellikle kornea nakli gerektiren, hastalık veya yara izi nedeniyle kornea körlüğünden sikayetçidir.

2018 yılında Newcastle Üniversitesi’ndeki bilim adamları ilk defa 3D baskı kornea yazdırmayı başardı. Kök hücrelerin aljinat ve kolajen ile birleştirilmesiyle, 10 dakikadan daha kısa bir sürede korneanın şeklini oluşturmak için daireler halinde ekstrüde edilebilen benzersiz bir biyo-bağlantı oluşturuldu.

Türkiye’deki Marmara Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi potansiyel olarak 3D baskı kornea üretimini transplantasyona uygun hale getirmeyi başardı. Kornea Stromal Nakli İçin 3D Baskılı Yapay Kornea başlıklı makale Haziran 2020’de yayınlandı ve gelecek için çok umut vaat ediyor.

Baskı işlemi, PVA bazlı malzemenin FDM benzeri bir 3D biyoyazıcı tarafından biriktirildiği bir alüminyum kalıba dayanır. Bioink materyali, ön testlerde büyük biyouyumluluk gösterdi ve korneaların optik performansı özel elektron mikroskobu ve UV spektrofotometresi ile doğrulandı. 

Kemikler

İskele yapıları gözenekli olmalı ve ideal olarak zaman içinde vücut tarafından emilmelidir. (Kaynak: The Indian Express aracılığı ile Ians)

Kemikler, insan vücudunun temel yapısal bileşenleridir ve insanların, kazalar veya hastalıklar nedeniyle kemiği kırabilir, hatta tamamen kaybedilebilir. Bu gibi durumlarda, kemik implantları yapay ortezlere kıyasla en uygun çözümdür, ancak ne yazık ki, nakil için çoğu organda olduğu gibi az bulunurluk sorunu vardır.

3D Ortez baskı alanı çok geniştir ve belki de en popüler “gerçek hayat” metal 3D baskı uygulamalarından biridir. 2018 yılında, 100.000’den fazla kalça kepçesi implantı sadece üretilmekle kalmadı, aynı zamanda gerçek hastalara da implante edildi. 

Fakat kemik biyobaskı için işler biraz daha yavaştır. Geleneksel biyo-baskı teknikleri insan hücrelerini hammadde olarak kullanırken, kemik biyo-baskı genellikle vücudun sonunda kemik inşa edeceği iskele yapıları oluşturmayı içerir. İngiltere’deki East Anglia Üniversitesi’nden bilim adamlarının 2019’da Hayvan Sağlığı Vakfı ile işbirliği içinde yaptığı şey buydu. Ancak bu proje için çalışma yaşayan atlar üzerinden yapıldı.

Cilt

3D Biyo-baskı vaskülarize cilt dokusu (Kaynak: Rensselaer Polytechnic Institute, SciTechDaily)

İnsan vücudundaki en büyük organ olan cilt, birçok yaralanmaya yatkın olduğu için biyo-baskı için de bir hedeftir. Yanma veya zehirlenme gibi ciddi cilt yaralanmalarının tedavisi yine naklediliyor. Ancak bu durumda, hasta vücudun diğer bölgelerinden sağlıklı cilt naklederek kendi donörüdür.

Ne yazık ki, bu teknik yalnızca nispeten küçük hasarlı alanlar için uygundur, bu nedenle cilt biyobasımına çok fazla gelişme ve ilgi vardır. Buradaki fikir, hastanın kendi hücrelerinden yapılmış deri yamaları üretmek ve böylece alıcıyla %100 uyumlu bir greft kaynağı sağlamaktır.

2019’da New York’taki Rensselaer Polytechnic Institute’taki araştırmacılar, kan damarlarıyla “canlı” deri yamalarını 3 boyutlu olarak basabildiler. Şimdiye kadar biyo-baskılı her cilt vasküler fonksiyondan yoksun olduğu için bu kritik bir ilerlemedir. Bir sonraki adım, mikroskobik düzeyde, kan damarlarını yamadan hastanın kendi cildine entegre etmenin bir yolunu geliştirmektir.

Öte yandan, Avustralyalı start-up Inventia Life Science, cildin doğrudan bir hastanın yarasına 3 boyutlu olarak basılabileceği bir cihaz üzerinde çalışıyor. Deri hücreleri, mürekkep püskürtmeli baskı ile aynı prensip kullanılarak küçük damlacıklar halinde biriktirilir. Inventia, biyoteknoloji endüstrisinde önemli bir yere sahiptir ve son zamanlarda 2020’de 3D baskılı cilt projesi için büyük bir yatırım almıştır.

Yumurtalıklar

Bir fare yumurtalığının iskele yapısından bir parça (Kaynak: The Guardian aracılığı ile Ian Sample)

Yumurtalıklar, çocuk doğurmanın karmaşık biyolojik sürecinin önemli bir parçasıdır. Ne yazık ki, ABD’de her yıl binlerce kadın kısırlığa yol açabilecek yumurtalık sorunları yaşıyor. Otoimmün hastalıklardan kemoterapi gibi ilgisiz kanser tedavisine kadar, hasar çoğunlukla geri döndürülemez oluyor.

Chicago’daki Northwestern Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, çocuk sahibi olabilmeleri için kadınlara nakledilebilecek yapay bir yumurtalık geliştirmeye tamamen kararlılar. 2017 yılında Monica Laronda liderliğindeki bir ekip, kısır farelerin doğum yapmasına izin veren biyo-baskı tekniklerini kullandı. 

Ekip, yumurtalık mimarisinin tamamını kopyalamak yerine, daha sonra farelere yerleştirilen ve zamanla büyümesine izin verilen farklı 3D yazdırılmış iskele yapıları geliştirdi. Bazı yapıların oldukça verimli olduğu kanıtlandı: Yapay yumurtalıklarla çiftleşen yedi fareden üçü sonunda tipik yetişkin fareler olmaya devam eden sağlıklı yavrular doğurdu. 

2020’de, Northwestern Üniversitesi’nden aynı ekip, insanlarda bulunan neredeyse aynı tür proteinlere sahip olan domuz yumurtalıklarından elde edilen yapısal proteinleri tanımladı. Laronda’ya göre amaç, bu proteinleri potansiyel yumurta ve hormon üreten hücrelerden oluşan bir bankayı destekleyebilen biyolojik bir 3D baskılı yapı iskelesi tasarlamak için kullanmaktı.

Kulak

WFIRM’in 3D baskılı canlı kulak ve kas implantları, hayvan deneylerinde başarılı oldu (Kaynak: Maggie Fox, NBC News)

Kulaklar, insan vücudunun sadece işlevsel bir parçası olmayıp, aynı zamanda belli ölçüde estetik sağlar. Çok sosyal bir tür olarak insanlar nasıl göründüklerinin sürekli olarak farkındadır. Her zaman iyi veya güzel görünme meselesi değil, çoğunlukla birbirine benzemek açısından önem taşır.

Rekonstrüktif cerrahi, doğum kusurları, travmaya maruz kalma ve tıbbi durumlardan kaynaklanan anormalliklere veya deformitelere işlevi ve normal görünümü geri getirmeyi amaçlayan tıbbi bir alandır. Burun ve kulaklar, özellikle tam bir yıkım durumunda yeniden inşa edilmesi inanılmaz derecede zor olan karmaşık yapılardır.

Bununla birlikte, karmaşık yapılar oluşturmak, 3D baskının benzersiz yeteneklerinden biridir. 2016 yılında, WFIRM araştırmacıları, 3D baskılı canlı kulak ve kas yapılarının hayvanlara başarıyla yerleştirildiğini bildirdi. Bu tür parçalar, kimyasal etkileşim yerine çoğunlukla yapısal bileşenler olarak işlev görür ve biyo-baskı sürecini basitleştirir.

2019’da hızlı bir şekilde, Avustralya’daki Wollongong Üniversitesi’nden bir ekip, profesör Payal Mukherjee ile birlikte, rekonstrüktif cerrahi için insan kulağı üretebilen bir 3D biyo yazıcı geliştirdi. ” 3D Alek ” yazıcı olarak adlandırılan, insan kıkırdak malzemesini kullanıyor ve şu anda Sidney’deki Royal Prince Alfred Hastanesi’nde kuruluyor. Amaç, kıkırdak materyali büyütmek için hastaya özel bioink materyalinin geliştirilmesini hızlandırmak.

Gelişmeler için Takipte Kalın!