(Bu yazı GENÇ İVEK SAĞLIK BİLİM VE TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ’nin 6. sayısında yayımlanmıştır.)
İrem Sultan İLÇİ
YTÜ- Biyomühendislik Bölümü Öğrencisi
Aralık 2019’daki ilk salgınından önce insanlara hiç bulaşmamış olan SARS-CoV-2, insan bağışıklığından ve tedavilerden yoksun bir şekilde yayılmaya devam ediyor. Bu pandemi, sağlık hizmetinin sürmesine yardımcı olan bazı görünmeyen mesleklerin altının çizilmesine yardımcı oldu. Çoğu zaman ne yaptığını kavrayamadığımız birçok meslek grubu, pandemi dönemi boyunca faaliyetlerinin günlük yaşamımıza dokunması sayesinde anlam kazandı. Biyomühendislik ve insan odaklı sağlık hizmetlerini geliştirmeyi hedefleyen aynı zamanda biyomühendisliğin özelleşmiş bir kolu olan biyomedikal mühendisliği, birçok insan için artık daha anlaşılır. Bu yazıda global anlamda biyomedikal mühendisleri ve biyomühendislerin faaliyetlerine, aynı zamanda kamu-sanayi iş birliği olan ülkelerdeki gelişmelere dikkat çekmek istenmiştir.
3D Kültür ve Intravital Görüntüleme
Potansiyel aşıları ve COVID-19 tedavilerini, hastaların güvenliğini riske atmadan hızlandırmayı hedefleyen birçok klinik çalışma vardır. Biyomühendislik araçları ile ilaç geliştirmenin klinik öncesi aşamalarının, mevcut ve eski çalışma modellerinin yerine geliştirilmiş modelleme araçlarına dayalı yenilerinin getirilmesiyle sürecin hızlandırılması hedeflenmektedir.
İnsan aşı geliştirme sürecinin, klinik çalışma öncesinden onay sürecine kadar 15 yılı bulması verimlilik ve etkililik gibi birçok zorluğu da beraberinde getirir. SARS-CoV-2 reseptörünü hedeflemesi için geliştirilen yeni bir ürün, insanlardaki kullanımı için üç adımın başarılı olarak tamamlanmasına dayalı olarak yasal onay alabilir:
- in vitro hücre kültür çalışmaları
- Etki mekanizmasını doğrulamak ve etkili dozaj ve tolere edilebilirlik aralığını ölçmek için hayvanlarda in vivo klinik öncesi testler
- Güvenli dozaj ile etkinliği tanımlamak ve olası etkileşimleri doğrulamak için hastalarda klinik testler.
İlaç geliştirme şu anda %99,9’luk bir genel başarısızlık orana sahiptir, bunun %96,4’ü klinik öncesi test aşamasındaki başarısızlıktan kaynaklanmaktadır. Bu durum da, daha klinik öncesi fazda in vitro uygulanan ilaç etkinliği testlerinin hayvanlarda neredeyse hiç doğrulanmadığı anlamına gelmektedir.
- Temel sorun şu anda terapötik ajanları in vitro test etmek için kullanılan en yaygın teknolojinin eskimiş olmasıdır. İki boyutlu (2D) polistiren kültür ortamında ilaç, üç boyutlu (3D) doğrusal olmayan ortamlarda meydana gelen hücre etkileşimlerine dayanan, in vivo yanıtı karşılamayan heterojen bir hücre popülasyonu içinde bir hücre yanıtı ortaya çıkarır. Var olan metoda karşın birçok araştırma grubu, canlı organoidlerin yüksek çözünürlüklü görüntüleme ile 3 boyutlu olarak kültürlenmesini ve incelenmesini sağlayan yeni yüksek performanslı deneysel cihazları kullanarak viral enfeksiyon ve ilgili terapötiklerin 3D statik, mikroakışkan ve intravital görüntüleme modellerini geliştirmiştir.
- Bir diğer çok ciddi sorun da laboratuvar hayvanlarında ilaç etkilerinin izlenmesi için kullanılan yöntemlerin eskimesi dolayısıyla hayvanların etik olmayan bir şekilde katledilmesidir. Oysaki, in vivo gözlemleri büyük ölçüde iyileştirebilecek ve böylece hayvanların katledilmesini %80-90 oranında azaltabilecek yeni minyatürleştirilmiş intravital görüntüleme teknikleri mevcuttur.
3D Baskı
İmalat için uygulanan çoğu işlemden biri 3D baskıdır. Üç boyutlu baskı, mühendisler için belli öğelerin birkaç kez kopyalarını oluşturan yararlı bir araçtır. COVID-19 salgınına yanıt olarak, 3D yazıcılara erişimi olan birçok küçük şirket veya kişi, sağlık çalışanları ve insanlarla yakın temasta çalışanlar için ek yüz maskeleri ve siperlikler üretmek için çalışmalara devam ediyor.
Airbus, Apple, Babcock, Dyson, Mercedes Formula 1, Tesla ve Vauxhall şu anda arzdaki boşluğu kapatmaya yardımcı olan büyük şirketlerden sadece birkaçı ve bazıları süreci mümkün olduğunca verimli hale getirmek için hükümet tarafından sağlanan şartnamelere uyuyor.
Üniversite Araştırmaları
Stanford Biyomühendislik laboratuvarları, COVID-19’a küresel yanıtın bir parçası olarak araştırma projeleri yürütmektedir. Bu projelerden bir kısmı ile serolojik testler, ELISA tabanlı teşhisler ve teşhis standartlarının geliştirilmesi yoluyla hastalığın teşhis edilmesi amaçlamaktadır. Diğer projeler ise hesaplamalı ekranlar ve yapay zekâ algoritmaları aracılığıyla hastalığı tedavi etmenin yollarını bulmayı amaçlıyor.
BioE Araştırma Laboratuvarları, aynı zamanda COVID-19’un yayılmasını önlemeye yardımcı olmak için çeşitli projeler yürütmektedir. Bu projeler, sağlık çalışanları için koruyucu kişisel ekipman ve hastaneler için ventilatör eksikliğini ele alıyor. Doktorların ventilatörleri uzaktan kontrol etmesinin yollarını araştırıyor ve virüsün insan akciğerlerine bulaşmasını durdurmanın bir yolunu arıyor.
Laboratuvarın, COVID-19’u tedavi etmek için yürüttüğü projeler de mevcuttur. Bu projeler;
- terapötik faydalar açısından daha fazla değerlendirilmesi gereken ilaçları belirlemek için hesaplamalı ekranların kullanımı,
- virüsün aşı geliştirmeye uygun olabilecek kısımlarını bulmak için yapay zeka kullanımı,
- COVID-19 virüsünü kesin olarak hedeflemek ve yok etmek için CRISPR teknolojisinin kullanımı,
- COVID yapılarını belirlemek ve viral replikasyonu önlemek için kriyojenik elektron mikroskobu (cryoem) ve kriyo-elektron tomografisi (cryoET) kullanımını içermektedir.
Faktörler ve Biyomühendislik Yaklaşımları: Partikül Madde, Obezite ve COVID-19
Yapılan bir diğer araştırmada COVID-19’u anlamaya yardımcı olmak için biyomühendislik yaklaşımlarının kullanılabileceği yollar tartışılıyor.
Birden çok faktörü ve bunların etkileşim yollarını araştırmanın önemi vardır. Örneğin, COVID-19 ölümleri için bir risk faktörü olarak ortaya çıkan hava kirliliği şeklindeki partikül madde maruziyeti ve obezite, kötü COVID-19 sonuçları için bağımsız risk faktörleridir. Ancak partikül maddeye maruz kalma aynı zamanda obezite riskini de artırabilir. Ayrıca, sirkadiyen bozulma obezite ile ilişkilidir ve partikül maddeye maruz kalma sirkadiyen ritimleri bozabilir. Bu faktörleri ayrı ayrı ve birlikte araştırmak için stratejiler geliştirmek, sinerjik bir etki olup olmadığını veya her iki risk faktörünün benzer mekanizmalar yoluyla savunmasızlığı artırıp artırmadığını belirlemeye yardımcı olabilir. Ayrıca, partikül maddeye maruz kalma ve sirkadiyen ritim bozulması, sitokin salınımını etkileyebilir ve bu durumun meydana geldiği mekanizmayı ve COVID-19 tedavisinin etkilerini doğrulamak için ek çalışmalara ihtiyaç vardır. Yüksek zamansal çözünürlüğe ve birbirine bağlı fizyolojik ve çevresel faktörler ile fenotiplerin ayrı kontrolüne izin veren modeller, COVID-19 patofizyolojik çalışmaları için paha biçilemez olacaktır.
COVID-19’a karşı terapötiklerin ve aşıların gelişimini önemli ölçüde hızlandırmak için çeşitli modern biyomühendislik araçlarını yeniden kullanmayı amaçlayan potansiyel stratejiler hayvan testlerini büyük ölçüde azaltma, rafine etme ve geniş çapta yerini alma avantajıyla birlikte tüm ilaç geliştirme sürecinin verimliliğini ve etkinliğini artıracaktır. İnsanoğlunun daha önce geçirdiği salgın hastalıklarla karşılaştırıldığında, bu hastalığın kontrol altına alınmasında ventilatör ve kişisel koruyucu ekipmanların yanı sıra, 3 boyutlu baskının kullanılması gibi gelişmelerin ve teknolojinin büyük etkisi olduğuna şüphe yoktur.
İrem Sultan İLÇİ
YTÜ-Biyomühendislik Bölümü Öğrencisi
Fortuna İyileştirici İnovasyonlar-İnovasyon Araştırmacısı
Kaynakça:
[1] M. T. Raimondi ve diğerleri, “Bioengineering tools to speed up the discovery and preclinical testing of vaccines for SARS-CoV-2 and therapeutic agents for COVID-19,” Theranostics, s. 10, no. 16, syf. 7034–7052, May 2020, doi: 10.7150/thno.47406.
[2] “COVID-19 Research Projects in Bioengineering | Bioengineering.” https://bioengineering.stanford.edu/research/covid-19-research-projects-bioengineering (erişildi Ağu. 27, 2020).
[3] “Biomedical Engineers: The hidden heroes of the COVID-19 crisis! – School of Health Sciences | Birmingham City University.” https://www.bcu.ac.uk/health-sciences/about-us/school-blog/biomedical-engineers-the-hidden-heroes-of-the-covid-19-crisis (erişildi Ağu. 27, 2020).
[4] J. Shirazi, M. J. Donzanti, K. M. Nelson, R. Zurakowski, C. A. Fromen ve J. P. Gleghorn, “Significant Unresolved Questions and Opportunities for Bioengineering in Understanding and Treating COVID-19 Disease Progression,” Cell. Mol. Bioeng., syf. 1–26, Haziran, 2020, doi: 10.1007/s12195-020-00637-w.
[5] A. ŞAHADA, A. N. TEKİNDOR, M. B. ABBADI, M. A. MALLUHI ve P. YILGÖR HURİ, “Role of Biomedical Engineering during COVID-19 Pandemic,” Nat. Appl. Sci. J., vol. 3, no. 1, syf. 1–16, Haziran 2020, doi: 10.38061/idunas.754344.