Yepyeni Bir Teknoloji: 3D Biyoyazıcı Teknolojisi ile Doku ve Organ Üretimi

Bilim insanları 3D biyoyazıcıları kullanarak insan organları tasarlamıştır. Bu organları da biyoyazıcı kartuşlarında hücre ve benzeri biyomateryalleri kullanmışlardır. Peki bu mekanizmanın nasıl işlediğini anlatmadan önce gelin doku mühendisliği nedir ve bizim açımızdan önemi nedir bunu açıklayalım.

Son yıllarda, doku mühendisliği ve rejeneratif tıp çalışmaları hasarlı veya hastalıklı dokuları yeniden oluşturmak için kullanılmaktadır. Doku mühendisliği araştırmalarının çoğu, hücre çoğalma ve farklılaşma için uygun bir ortam sağlayarak, iskeleye doğru hücreleri dahil etmek prensibine dayanır. Peki bilim insanlarını bu çalışma alanını düşündüren neydi?

Dünya genelinde yaklaşık 400 bin kişi organ nakli için sırada bekliyor. Türkiye’de ise bu sayı ise 30 bin civarında. Organ nakli bekleme listesi uzayıp gidiyor ve ilk sırada böbrek yer alıyor. Daha sonrasında karaciğer, kornea, kalp, akciğer, pankreas ve kalp kapakçığı bu listeyi izliyor. Organ bağışı ve uygun donör sayısı ise organ nakli ihtiyacını hiçbir zaman karşılamaya yetmiyor. Her yıl binlerce kişi organ nakli beklerken yaşamını yitiriyor. İşte tam da bu noktada bilim insanları, ihtiyaç duyulduğu anda gerçek doku ve organları hızlı ve seri bir şekilde üretebilecek bir teknolojinin varlığını düşünmeye başladı. Son yıllarda akla 3D biyoyazıcı teknolojisi geliyor.

Bu teknolojiyle vücut parçaları üretilip kaybedilen hasarlı dokuya 3D yazıcıda üretilen vücut parçaları nakledildi. Bu konuda önemli olan biyomalzemelerin vücuda uyum sağlayabilmesi ve doku tarafından reddedilmemesidir. 3D biyoyazıcılar ile sadece vücut parçaları üretilmiyor. Basılan organlar ve doku modelleri tanıya ve tedaviye de yardımcı oluyor. Örneğin vücudun iç bölgelerine yerleşen tümörlerin çıkarılması için yapılacak ameliyatlar öncesinde hastanın kanser gelişen organının benzeri yapılıyor. Uzmanlar bu modele bakarak ve her yönden keşfederek ameliyatı en ince ayrıntısına kadar planlayabiliyor. Peki, bu organların benzeri nasıl yapılıyor? Bunun için manyetik rezonans, bilgisayarlı tomografi ve ultrason gibi gelişmiş tıbbi görüntüleme yöntemleri kullanılıyor. Dijital veriler bilgisayar üzerinde işleniyor ve 3D organ modellerinin baskıları alınıyor.

Biyoyazıcıları diğer 3D yazıcılardan ayıran en önemli özellik kullanılan biyomürekkep. Kartuşların içine doldurulan biyomürekkebin içeriğini metal, polimer ve termoplastik yerine canlı insan hücreleri oluşturuyor. Bu amaçla ya embriyonik kök hücreler ya da doku biyopsisi yöntemi ile herhangi bir organdan elde edilen yağ, kas, sinir, kemik iliği ve bağ dokusu hücreleri kullanılıyor.

3D yazıcılar peki nasıl bir çalışma aşamalarına sahip? Biyomürekkep olarak kullanılacak hücreler, laboratuvarda, kültür ortamında çoğaltıldıktan sonra kartuşların içine doldurulur. Kartuştaki biyomürekkebin içine sıvı jel kıvamında hücre matriksi molekülleri ilave edilir. Biyomürekkep, yazıcıdan dışarıya püskürtüldüğünde, içinde bulunan hücrelerin canlılığının korunması gerekir. Bu nedenle biyoyazıcıda hücreleri besleyecek, onların kurumasını önleyecek ve birleşerek dokulara dönüşmesine yardımcı olacak hidrojeldir. Hidrojel, sudan, proteinden ve besin maddelerinden oluşan bir hücre destek sıvısıdır. Biyoyazıcıdaki püskürtme ünitesinde, biyomürekkebi ve hidrojel malzemesini içeren iki ayrı kartuş yan yana durur. Her bir kartuş şırınga iğnesi görünümünde incecik bir püskürtme kısmına bağlıdır. Biyomürekkep, iğneden dışarıya damlalar halinde bırakılır. Yazıcı kafası sağa sola, aşağıya yukarıya ya da öne arkaya doğru hareket ederek hücreleri katman katman üst üste yığmaya başlar. Hücreler ile aynı anda başka bir iğneden püskürtülen hidrojel sayesinde hücreler bilgisayarda tasarlanan doku veya organ modeline uygun bir şekilde üretilir. Üst üste yığılan hücrelerin arasına yayılan ve hücrelerin etrafını kaplayarak adeta koruyucu bir kalıp gibi hücrelere destek olan gözenekli yapıdaki hidrojel sayesinde hücreler canlılıklarını korur, birbiriyle kaynaşır ve zamanla doku parçalarına dönüşür. Hücrelerin olgunlaşması ve dokulara dönüşmesi tamamlandığında hidrojel ortamdan kolayca uzaklaştırılır ya da kendi kendine zamanla parçalanarak yok olur.

3D biyoyazıcı teknolojisi organ ve doku üretiminde ve günümüzde çok önemli olan nakil yetersizliklerinde başarıyla kullanılmaya başlandığı anda sağlık sektöründe yepyeni bir dönemin başlayacağı da olacak gibi görünüyor ve 3D biyoyazıların, tıpkı bir röntgen cihazı gibi, bütün hastanelerde bulunacağı düşünülüyor. Ancak bunun gerçekleştiğini görmek için en azından bir 10 yıl hatta belki de 15 yıl daha beklememiz gerekecek.

-Esin Can.

Kaynak:

Can Kucukgul, S. Burce Ozler ,Ilyas Inci ,Ezgi Karakas ,Ster Irmak ,Devrim Gozuacik, Alpay Taralp ,Bahattin Koc. 3D bioprinting of biomimetic aortic vascular constructs with self‐supporting cells. Biotechnology and Bioengineering, 11 November 2014.

Xia, Z., Jin, S., Ye, K., “Tissue and Organ 3D Bioprinting”, SLAS Technology, 2018.