Doku Mühendisliği Deneysel Yaklaşımlar

Benim adım Ali Kamasi ve şu anda Harvard MIT Sağlık Bilimleri ve Teknoloji Bölümü'nde yardımcı doçentim. Ayrıca Harvard Tıp Fakültesi'nin bir iştiraki olan Brigham and Women's Hospital bünyesinde, Harvard Tıp Fakültesi ile ortak bir görevim bulunmaktadır. Araştırma alanlarım mikro ölçekli doku mühendisliği ve biyomekanik alanlarıdır.

Akademik geçmişim daha ziyade kimya mühendisliği odaklıdır ve başlangıcını da burada yapmıştır. Lisans eğitimimi Toronto Üniversitesi'nde kimya mühendisliği alanında tamamladım ve sonrasında biyoloji odaklı mühendislik konularına yoğun ilgi duymaya başladım. Bu nedenle, yine Toronto Üniversitesi'nde biyomedikal mühendisliği üzerine yüksek lisans yaptım ve özellikle kök hücre farklılaşması üzerine çalıştım.

Ardından MIT'ye geldim ve doktoramı biyomühendislik alanında Profesör Robert Langer ile tamamladım. Birkaç aylık doktora sonrası araştırmanın ardından şu anki görevime başladım. Odaklandığımız araştırma alanları, temel olarak biyoloji, mühendislik ve malzeme biliminin kesişim noktasında yer almaktadır.

Yani, yapmaya çalıştığımız şey biyologların uzun süredir yanıtlamaya çalıştığı soruları ele almak, ancak bunu, bu soruları anlamak için yeni teknolojiler ve yeni perspektifler getirerek daha önce yapılamayan bir yöntemle gerçekleştirmektir. Çözmeye çalıştığımız temel tıbbi sorunlardan biri, organ yetersizliğidir. Potansiyel olarak nakledilebilecek üç boyutlu organları nasıl üretebiliriz; çünkü bildiğiniz üzere, organ tedariğinde çok büyük bir eksiklik var, birçok hastanın nakledilebilir organlara ihtiyacı var ve çok uzun bekleme listeleri mevcut.

Doku mühendisliği alanındaki bizlerin ve diğer kişilerin yapmaya çalıştığı şeylerden biri, yapay dokular oluşturabileceğimiz yaklaşımlar geliştirmektir. Benzer bir konsept dahilinde, şu anda ilaç keşfi ve yeni ilaçların bulunması süreçlerinde de karşılaşılan temel sorunlardan biri, ilaçların ve kimyasalların bu tür dokular üzerindeki etkilerini görebilmek amacıyla, vücut dışındaki dokuları temsil eden daha iyi modelleri nasıl oluşturabileceğimizdir. Bunu düzgün bir şekilde gerçekleştirebildiğimizde, hangi ilaçların gerçekte etkili olacağına dair çok daha iyi öngörüler elde edebiliriz.

Böylece, ilaçlar onaylandıktan sonraki geri çağırmalar ve yan etkiler gibi durumlarla karşılaşmazsınız ve çok daha iyi bir ilaç keşif sürecine sahip olabilirsiniz. Mikroakışkan cihazlar, mikroölçekli teknolojiler olarak adlandırdığımız alanın bir alt bölümüdür. Mikroölçekli teknolojilerin ne olduğunu, belki önce ondan başlayarak açıklayabilirim.

Yapmaya çalıştıkları şey, biyolojik dokuların veya biyolojik sistemlerin karmaşıklığını taklit etmektir. Çoğu hücre yaklaşık on mikrometre boyutlarındadır. Hücreleri bu boyutlarda gerçekten anlayabilmek için, bir hücrenin 10 mikrometreden çok daha küçük olanlardan 10 mikrometreden daha büyük olanlara kadar değişen uzunluk ölçeklerinde ne gördüğünü ve ne hissettiğini mühendislik yöntemleriyle tasarlayabilmeye olanak tanıyan teknolojilere sahip olmanız gerekir.

Böylece tekil hücrelere sahip olabilir ve bunların çevrelerini manipüle edebilirsiniz. Mikroakışkanlar gibi bir sistemin bize sağladığı imkan, çözünür faktörlerin hücrelere nasıl iletildiği üzerinde çok sıkı bir kontrol kurabilmektir. Buna örnek olarak, bir mikroakışkan kanal kullanarak burada bir kemokin, büyüme faktörü veya sitokin konsantrasyon gradyanı oluşturulabilmesi verilebilir.

Şu an yapabildiklerimiz ise, normal gelişim sırasında veya organizma genelinde hücreye ne yapması gerektiğini söyleyen konsantrasyon gradyanlarının bulunduğu biyolojik sistemlerde meydana gelenleri taklit etmeye çalışmaktır. Mikroakışkan sistemlerle, bu tür biyolojik karmaşıklıkları çok hızlı ve kontrollü bir şekilde oluşturabilir ve ardından hücre davranışını doğrudan bu tür konsantrasyon gradyanlarına veya biyolojik ve mekansal yönelimli sinyallere maruz bırakarak analiz edebiliriz. Doku mühendisliği, muhtemelen 20-30 yıl önce, nakledilebilir hücreleri kullanma ve bunları malzemelerle birleştirerek daha iyi üç boyutlu dokular oluşturma fikriyle ortaya çıktı; başlangıçta insanlar biyobozunur malzemeler elde etmeye ve bunlardan köpükler yapmaya çalıştılar.

Böylece, bildiğiniz gibi, bunlar oldukça gözenekli yapılardır. Ardından bu köpükler hücrelerle ekilir. Hücreler bu köpüğün içinde hareket ettikçe belirli bölgelere yerleşirler ve zaman geçtikçe hücreler kendi biyolojik matrislerini biriktirmeye başlarlar.

Bu materyaller biyobozunur olduğu için zamanla bozunurlar ve geriye tamamen biyolojik bir doku kalır. Bu yaklaşım, özellikle kıkırdak gibi bazı daha basit organlar için oldukça faydalı olmuştur. Hatta FDA onaylı olan yapay deri gibi uygulamalar da mevcuttur.

Dolayısıyla klinik olarak uygulanabilir olmuştur. Bu yaklaşımın potansiyel olarak daha fazla desteğe ihtiyaç duyabileceği alanlar; kalp veya karaciğer gibi, hücre-hücre etkileşimlerinin ve mikro ölçekteki karmaşıklık ile mimarinin gerçekten çok kontrollü olduğu daha karmaşık yapılarla ilgilidir. Doku mühendisliği ile ilgili orijinal fikirlerden biri de, hücreleri yerleştirdiğinizde, hücrelerin normal vücutta gördüğünüz bu karmaşıklığın bir kısmını gerçekten oluşturmak için bir şekilde kendilerini yeniden düzenlemeleriydi.

Ancak bu durum, belli bir ölçüde gerçekleşse de, tam anlamıyla gerçekleşmez. Bu nedenle, mikro yapı düzeyindeki doku mühendisliği ürünü bir organ, gerçek bir doğal biyolojik dokudan hala farklı olacaktır. Bunun sebebi, hücrelerin gelişim sürecinde oldukları gibi kendilerini tamamen organize edememeleridir.

Dolayısıyla, mikroölçek düzeyinde yaptıklarımız ve doku mühendisliğini mikroölçekte ilerletme konusundaki amacımız, bu karmaşıklığı yeniden yakalamaya çalışmaktır. Peki, bunu nasıl yaparız? Ve oluşturmak istediğimiz karmaşıklıklar nelerdir?

Şu anki durumdan biri şudur ki, damarlanmış dokular oldukça yoğun damar yapısına sahiptir ve bu yapı dokuyu oksijen, besin maddeleri ve ihtiyaç duyduğu diğer bileşenlerle besler. Bu nedenle, şu an için büyük doku yapılarını mühendislik yöntemleriyle oluşturmak ve tüm hücrelere uygun miktarda besin ve oksijen sağlayabilmek oldukça zordur. Mikroölçekli teknolojilerin bize sağladığı imkanlardan biri, üç boyutlu yapılarımızda mikrovasküler yapıyı doğrudan mühendislik yöntemleriyle oluşturabilme potansiyelidir.

Mikro ölçekli teknolojilerin bize sağladığı bir diğer imkan da, farklı hücre tiplerinin bu üç boyutlu yapı içerisinde nasıl etkileşime girdiğini kontrol etmeye çalışmaktır. Örneğin, belirli bir yapı içerisinde bir hücre tipine sahip olmak ve yanına, tıpkı vücutta olduğu gibi, ikincil bir hücre tipi yerleştirmek isteyebilirsiniz. Mikro ölçekli teknolojileri kullanarak, vücutta mevcut olan bu tür geometrileri ve karmaşıklıkları üç boyutlu yapımız içerisinde yeniden oluşturmaya çalışabiliriz.

Bu nedenle, iskelelerin içinde doğrudan kendi kendilerine birleşmelerini ummak zorunda değiliz. Bir dizi zorluk mevcut. Dokuları nasıl mühendislik yöntemleriyle oluşturabileceğimiz konusundaki temel zorluklardan biri, üç boyutlu bir doku oluştursak bile, bunun hala fonksiyonel olmasını istememizdir; normal dokuların yerine getirdiği ve doku mühendisliği ile üretilen bu organların temel olarak yeniden kazanması ve taklit etmesi gereken çeşitli mekanik, biyokimyasal ve metabolik fonksiyonlar bulunmaktadır.

Şu anki temel sorun, doku mühendisliği ile üretilen birçok organın, doğal biyolojik performansın gerisinde kalmasıdır. Bu sorunun bir kısmı, şu an kullandığımız malzeme türlerinin farklı uygulamalar için mutlaka optimize edilmemiş olmasından kaynaklanmaktadır. Ayrıca, bu üç boyutlu iskeleler içindeki hücrelerin, normal gelişim veya normal yara iyileşmesi sırasında vücutta gerçekleştirecekleri süreci tam olarak tamamlamalarına olanak tanıyan koşulları yeniden oluşturabilmek için, gelişim biyolojisini ve yara iyileşmesi biyolojisini hala daha iyi anlamamız gerekiyor; böylece gerçekten rejenerasyona uğramış veya gelişmiş dokuları taklit eden nihai yapılar elde edebiliriz.

Ve biyoloji hala araştırılmaya ve geliştirilmeye devam ediyor. Dolayısıyla, biliyorsunuz, bir yandan biyoloji, diğer yandan ise daha iyi malzemeler var. Ve son olarak, bence hala büyük bir sorun olan konu hücre kaynağı.

Bildiğiniz gibi, alternatif hücre kaynaklarını keşfetmeye çalışmak gerçekten çok önemlidir çünkü vücut hücrelerimiz, yani yetişkin kök hücreler, potansiyel olarak oldukça uygun bir hücre kaynağıdır. Ayrıca embriyonik hücreler ve insanların deri hücrelerini veya diğer hücreleri kullanarak, farklılaşmalarını yönlendirebileceğiniz ve uygun bir hücre kaynağı elde edebileceğiniz çok primitif hücreler elde etmeye çalıştıkları yeni yaklaşımlar da mevcuttur. Bu nedenle, önümüzdeki beş yıl içindeki üç temel sorunun şunlar olduğunu söyleyebilirim: daha iyi malzemeler, biyolojinin daha iyi anlaşılması ve daha iyi bir hücre kaynağının elde edilmesi.

Bu mikro ölçekli teknolojilerin hem biyologlar hem de doku mühendisleri için daha yaygın şekilde uygulanabilir hale getirilmesi konusunda birçok değişiklik olacaktır. Birçok insanın artık hem biyolojiyi gerçekten incelemenin hem de mikro ölçekli çözünürlükte dokular üretmenin ne kadar önemli olduğunu fark ettiğini düşünüyorum. Ve bunun, önümüzdeki birkaç yıl boyunca devam eden bir eğilim olacağına inanıyorum.

Ve bence diğer bir husus, nihai ürün aşamasında olan klinik doktorlar, FDA veya diğer düzenleyici kurumlar ve temel olarak iş dünyasındaki kişiler arasında çok daha fazla etkileşim olacağıdır. Dolayısıyla, geliştirilen bilimin ticarileştirilmesindeki temel sorunların neler olduğunu anlamak için temel araştırmacılarla bu kurumlar arasında giderek daha fazla etkileşim yaşanacaktır. Ve bence bunu nasıl güvenli ve etik açıdan sorumlu bir şekilde gerçekleştirebileceğimiz konusu da önemlidir.

Dolayısıyla, hem bilimsel açıdan hâlâ katedilmesi gereken büyük mesafeler olduğunu, hem de diğer hususlar bakımından hâlâ yapılacak çok şey olduğunu düşünüyorum; bence ilk birkaç adım için en az beş yıl gerekecek ve önümüzdeki 10-15 yıl, bu teknolojilerin, özellikle hem doku mühendisliği hem de bu teknolojilerin ilaç keşif analizlerine ve benzerlerine uygulanması açısından nasıl kullanılacağının gerçekten ilginçleşeceği dönem olacak. Gerçek dünya uygulamalarında nasıl kullanılacağı, aslında hangi organdan ve ne tür bir uygulamadan bahsettiğimize bağlıdır. Yapay dokuların ilk ve en bariz uygulaması, vücut dışında bir doku kültüründe sahip olabileceğiniz daha iyi fizyolojik modeller elde etmeye çalıştığınız, biyolojiyi daha iyi anlamak için onları analiz edip inceleyebileceğiniz veya etkili kimyasalları ya da ilaçları anlamak için sondajlayabileceğiniz ilaç keşfi veya diyagnostik alanıdır. Ve bence bu alandaki temel zorluk, yerli dokuyu mümkün olduğunca eksiksiz bir şekilde taklit eden bir yapı oluşturmaktır; böylece doku konstrüktunuz bir şeyin toksik olduğunu belirttiğinde, onu bir hayvana verdiğinizde toksik olacağından ve hayvanda alacağınız yanıtı çok iyi öngöreceğinden emin olabilirsiniz.

Yani, gerçek terapötik uygulamalar açısından bakıldığında, hâlâ aşılması gereken pek çok engel olduğunu düşünüyorum. Bence en önemli engeller, bu terapötik ajanların kısa ve uzun vadede nasıl davranacağıdır; çünkü kimse, örneğin doku mühendisliği ürünü hücrelerin, embriyonik kök hücrelerden türetilen kök hücre temelli hücrelerin veya başka kişilerden alınan hücrelerin, benim vücudumda veya bir başkasının vücudunda uzun vadede nasıl davranacağını gerçekten tam olarak anlamış değil. Bir diğer konu ise, etik soruların da olduğu; örneğin, hem etik açıdan sorumluluk taşıyan hem de bilimsel ve klinik olarak uygulanabilir olan en iyi hücre kaynağının ne olduğu gibi. Organ mühendisliğine gelince, buradaki temel sorunun, hem güvenli olan hem de düzgün çalışacak bir yapı oluşturup oluşturamayacağınız olduğunu düşünüyorum. Ayrıca, her türlü doku mühendisliği ürünü organın aşması gereken pek çok düzenleyici mekanizma bulunmaktadır.

Ve bence FDA şu noktada, insanların terapötik uygulamalar için mühendisliğini yaptığı biyolojik dokuların gerçekte nasıl düzenleneceğini araştırmaya başlıyor. Bu tür ürünlerin ticari hale gelmesine dair bir veya iki emsal olduğunu düşünüyorum, ancak bir şeyi laboratuvardan nihai bir ürüne dönüştürmek için tam olarak neler yaşanacağını bildiğiniz çok standartlaşmış bir yol henüz mevcut değil. Bu yapay biyolojik dokuların bazılarıyla ilgili olarak, durum gerçekten organa bağlıdır. Örneğin, deri gibi bazı şeyler için, biliyorsunuz, buna zaten sahibiz.

Tam bir kalp gibi bir yapı söz konusu olduğunda, henüz çok uzak olduğumuzu söyleyebilirim. Tahminimce, çok temkinli olmak adına, belki 50 yıl diyebilirim. Daha erken gerçekleşebilir ancak uygun karmaşıklığa sahip olan ve normal bir biyolojik dokunun yapacağı gibi düzgün şekilde işlev gören bir yapı elde etmek için önümüzde pek çok zorluk var.

Ancak kalp dokusu gibi daha küçük yapılar söz konusu olduğunda, yani bütün bir kalp değilse, çok daha yakın olduğumuzu düşünüyorum. Klinik uygulama ve düzenleyici süreçlerden gerçekten geçmiş bir şeyle ilgili olarak, nakledilebilir kalp dokusu parçalarının üretilmesinin 15 yıl içinde mümkün olabileceğini söyleyebilirim. Bence bunun çoğu düzenleyici aşamada gerçekleşecektir çünkü şu anda bir ilacın onaylanması 12 yıl sürmektedir.

Bu nedenle şu an mükemmel olduğunu düşündüğümüz bir şeye sahip olsak bile, bunun güvenli olduğundan ve hastalar üzerinde yaygın bir şekilde kullanabilmemiz için uygun fonksiyonu yerine getirdiğinden emin olmak en az on yıl sürecektir.