KÖK HÜCRE VE DOKU MÜHENDİSLİĞİNDE UYGULANAN 3D BIOPRINTING

Kök Hücre ve  Hücresel  Tedaviler  geçtiğimiz yüzyılda organ nakilleriyle gerçekleşen tıbbi  atılıma  benzer  bir  atılım  potansiyeli  taşıyor. Bu nedenle son yıllarda kök hücre araştırmaları deneysel aşamadan tedavi uygulamalarına doğru hızla ilerliyor.

3D-bioprinting tekniği kullanılarak oluşturulmuş fonksiyonel insan vücudu parçaları       Hasar görmüş veya kaybolan organların değiştirilmesi için vücudun ‘yedek parçalarını’ oluşturma kavramı, genellikle doku mühendisliği olarak adlandırılan çeşitli biyoteknolojik uygulamaların merkezinde yer almaktadır. Doğum sonrası kök hücrelerin kullanımı doku mühendisliği perspektifini önemli ölçüde değiştirme potansiyeline sahiptir. Örneğin, cilt gibi sürekli olarak kendini yenileyebilen dokuların başarılı bir şekilde uzun süreli restorasyonu, geniş ölçüde kendini yenileyebilen kök hücrelerin kullanımına bağlıdır. Kök hücrelerin çeşitli dokulardan tanımlanması ve izole edilmesi, potansiyel gen terapileri için uygun hedefler sağlar.

KÖK HÜCRE NEDİR?

 Kök hücreler vücudumuzda bütün doku ve organları oluşturan ana hücrelerdir. Henüz farklılaşmamış olan bu hücreler sınırsız bölünebilme ve kendini yenileme, organ ve dokulara dönüşebilme yeteneğine sahiptir. Vücudumuzdaki kas, karaciğer, cilt hücreleri gibi hücrelerin hedefleri bellidir ve bu hücreler bölündükleri zaman kendileri gibi hücre oluştururlar. Oysa kök hücrelerin bu hücrelerden farklı olarak belirlenmiş bir fonksiyonları yoktur. Bu yüzden aldıkları sinyale göre farklı hücre tiplerine dönüşebilirler.

KÖK HÜCRE ÇEŞİTLERİ

Farklılaşma Özelliklerine Göre ;

Totipotent Hücre: Erkeğin spermi ile kadının yumurtası birleştiğinde yani döllenme meydana geldiğinde oluşan hücre (zigot) tek başına tüm organizmayı meydana getirebilecek genetik bilgiye ve güce sahiptir. Bu hücrelere her şeyi yapabilen anlamına gelen totipotent hücre denir. Döllenmeden sonraki ilk 4 gün içinde oluşan hücrelerin her biri totipotent hücredir ve her bir hücre ayrı bir organizmayı oluşturabilecek güce sahiptir. Eğer anne karnında ilk 4 gün içerisinde herhangi bir nedenle bu hücreler birbirinden ayrılırsa, ayrılan her hücre kendi başına büyüyerek ayrı bir insan meydana getirir. Genetik şifreleri aynı olan bu kişilere tek yumurta ikizi denmektedir. İlk 4 günlük evrede totipotent hücre özelliği taşır

Pluripotent Hücre:  Döllenmeden sonraki 5. günden itibaren meydana gelen hücreler blastosist denilen küresel bir şekil alır. Bu kürenin içindeki hücreler vücuttaki tüm hücrelere dönüşebilecek potansiyele sahip olmalarına rağmen, artık tek başlarına tüm organizmayı oluşturacak güce sahip değillerdir. İşte bu tür hücrelere pluripotent hücre denir.

Multipotent Hücre:  Anne karnındaki organizmanın sonraki gelişim aşamalarında hücreler biraz daha özel görevlere sahip olurlar ve erişkin kök hücrelerine dönüşürler. Bazı hücreler bazı dokulardaki hücrelere dönüşebiliyorlar. Biraz daha özelleşmiş olan bu kök hücrelere çok yetili anlamına gelen multipotent hücre denir. Örneğin ; Kan kök hücreleri, kemik iliğinde bulunur ve gerektiğinde beyaz kan hücrelerine, kırmızı kan hücrelerine ve trombositlere dönüşebilir. Ya da, deri kök hücreleri deriyi oluşturan değişik deri hücrelerine dönüşebilirler.

Elde Edildikleri Yere Göre ;

Embriyonel Kök Hücresi : Blastosist adı verilen hücre kümesinden alınan hücrelerin her birine embriyonel kök hücre denir. Embriyonel kök hücreler, kültürlerde çoğaltılarak bilimsel araştırmalarda kullanılmaktadır.Embriyonel kök hücreler genellikle tüp bebek ünitelerinden elde ediliyor. Tüp bebek yönteminde başarı oranını artırmak için birden fazla yumurta hücresi dış ortamda sperm ile dölleniyor. Bu hücreler tüp bebek ünitelerindeki derin dondurucular içinde saklanıyor. Eğer biriyle gebelik oluşmazsa diğer hücre kümesi rahme yerleştiriliyor. Ancak gebelik olursa ve aile başka çocuk istemiyorsa depolanmış olan hücreler, yani embriyolar ailenin izni alınmak koşuluyla deneysel çalışmalarda kullanılıyorlar.Hızlı çoğalma yetenekleri daha fazla. Çoğalma çeşitliliği bakımından diğerlerine göre daha zengin.yani; farklılaşma potansiyeli oldukça yüksek. Embriyonel kök hücrelerin telomerleri çok uzun olduğu için çok uzun süre çoğalabiliyorlar. Hatta laboratuvar ortamlarında iki yıldan fazla yaşatılabiliyorlar.

Erişkin Kök Hücresi : Farklılaşmış dokularda bulunan ancak farklılaşmamış hücrelerdir. Her yaştaki insanda bulunur. İhtiyaç duyulduğunda bulundukları dokudaki değişik hücre türlerine dönüşüyorlar.Erişkin kök hücreler, organizma yaşadığı süre boyunca kendi kopyalarını üreterek çoğalıyorlar. Bu hücreler bulundukları dokulardaki eskiyen, hastalanan veya ölen hücrelerin yerine yenilerini üreten yedek parça kaynakları olarak görev yapıyorlar.Erişkin kök hücrelerinden tüm hücreler elde edilemiyor. Ayrıca erişkin kök hücrelerinin kültür ortamında yetiştirilmesi embriyonel kök hücrelerinin yetiştirilmesinden oldukça zor. Çünkü erişkin kök hücrelerinin büyümeleri ve çoğalmaları daha uzun zaman gerektiriyor. Bu olumsuzluklarına ek olarak, erişkin kök hücrelerini dokuda bulmak olduk oldukça zor. Tüm bu olumsuzlukları nedeniyle erişkin kök hücresi yerine embriyonel kök hücreler laboratuarlarda çalışmak için bilim insanları tarafından tercih edilmekte.

Fetus Kök Hücresi : Düşük yapan kadınlardan elde edilen ve sınırsız sayıda bölünebilip, kendini yenileme özelliğine sahip olan kök hücre tipleridir. Bu hücreler, pluripotent yapıda yani gerekli koşullar sağlandığında çeşitli hücre türlerine dönüşebilen kök hücrelerdir.Fetüs kök hücresi, farklılaşarak kromozom sayısını yarıya indirip yumurta ya da sperm hücresine dönüşebiliyor. Ancak tek başına bir organizmayı oluşturma becerisine sahip değil. Fetüsten elde edilen kök hücreler gelişimin daha geç safhasında elde edildiği için çoğalma potansiyeli embriyonik kök hücreye göre daha azdır.

 KÖK HÜCRENİN KULLANIM ALANLARI

Kalp-damar ve Akciğer Hastalıkları

İnsan embriyonik kök hücrelerinden kardiyovasküler öncü hücreler elde edilmiştir. Bilim adamları bu hücrelerin kalp kası hücrelerine, damar düz kas hücrelerine ve endotel hücrelerine dönüşebildiklerini bildirmişlerdir. İnsan embriyonik kök hücrelerinden tip 2 alveol benzeri akciğer hücreleri elde edilmiştir; bu hücrelerde tip 2 alveollere özgü proteinler üretilmiş ve hücrelerin şekil itibariyle tip 2 alveollere benzediği ortaya konmuştur.

Sinir Sistemi Hastalıkları

İnsan embriyo kök hücrelerinden sinir kök hücreleri elde edilmiştir. Bilim adamları elde ettikleri bu kök hücreleri inme geçirmiş farelere nakletmişler ve iyileşme gördüklerini bildirmişlerdir. Benzer şekilde elde edilecek hücrelerin, insanlarda tedavi amaçlı kullanımı umulmaktadır. İnsan fetal omurilik hücrelerinin normal ve hasar görmüş fare omuriliğine aktarıldığında çoğaldığı, yerleşime bağlı olarak olgun sinir hücrelerine farklılaşabildiği gösterilmiştir. Hücrelerin çoğalıp farklılaşmasının yanı sıra işlevsel hale gelmesi, omurilik hasarında tedavi amaçlı kullanım için umut doğuracaktır.

Parkinson Hastalığı

 Hastalarda yitirilen dopamin üreten nöronların yedeklenmesi hastalığı ortadan kaldırabilr. İnsan embriyonik kök hücrelerinden dopamin salgılayan sinir hücresinin elde edildiği bildirilmiştir. Bu hücreler, Parkinson modeli farelere aktarılmış ve motor işlevde iyileşme görüldüğü kaydedilmiştir.

Kas – İskelet Sistemi Hastalıkları

Embriyonik kök hücrelerinden elde edilmiş olan çizgili kas hücrelerinin kas güçsüzlüğü ve benzeri hastalığı olan hayvanların (çoğu zaman farelerin) tedavisinde kullanıldığı ve kas işlevinde iyileşme sağladığı bildirilmiştir. İskelet kası kan damarlarının yapısında yer alan damar zarı hücrelerin civarından ayrıştırılan kök hücrelerin, kas distrofi hastalığının görüldüğü farelerin kas dokusuna aktarıldıktan sonra, hayvanların iskelet kası işlevlerinde belirgin iyileşme sağlandığı ortaya konmuştur.

 Endokrin Sistem Hastalıkları

Diyabet tedavisinde, kök hücre çalışmalarının getirdiği umut, pankreasta insülin salgılama görevi yapan beta-adacık hücrelerinin yedeklenebilmesidir. Bu konuda çalışan araştırmacılar, insan embriyonik kök hücrelerinden insülin sentezleyen hücreler elde etmeyi başardıklarını bildirmişlerdir. Ancak bu hücreler fetal beta hücreleri gibi, glikoz ile uyarıldıklarında çok düşük düzeyde yanıt vermekte ve yetersiz insülin salgılamaktadır. Başka bir çalışmada ise araştırmacılar insan pankreas adacıklarındaki epitel hücrelerinden uygun kültür koşulları altında önce bağ dokusu kök hücreleri ve bu hücrelerden insülin ve glukagon üreten adacık benzeri hücre grupları elde etmeyi başarmışlardır. Diyabetik farelere aktarılan bu hücrelerin, kan şekeri düzeyini normale döndürecek kadar insülin salgıladığı bildirilmiştir.

KÖK HÜCRE UYGULAMASININ OLASI RİSKLERİ
NELERDİR?

• Doku uyuşmazlıkları meydana gelebilir.
• Embriyonik kök hücrelerle çalışıldığında, kök hücrelerin çoğalmaları kontrol altına alınamazsa kanser oluşturma riski oluşabilir.
• Kök hücre teknolojisinin tüm hastalıklar için insan üzerinde denenmemiş olmasından dolayı sonuçlarının ne olacağının tam olarak kestirilememektedir.

Kordon Kanı

Bebek ile anne arasındaki besin-oksijen trafiğini düzenleyen yapı göbek kordonudur. Doğumdan hemen sonra bebekle beraber göbek kordonu da rahim dışına atılır. Kordon kanı, kordon içinde kalan kandır. 1980li yılların başında yeni doğan bebeklerin kordon kanında da kök hücrelerin bulunmasıyla kordon kanının da tedavi amaçlı kullanılabileceği fikri ortaya atıldı.

Kordon kanında bulunan kök hücrelerin;

• Diğer dokularda bulunan kök hücrelere göre sayıca çok fazla olması,
• Elde edilmesinin diğer kök hücre türlerine göre daha kolay olması,
• Elde edilmesi ve saklanması sırasında diğerlerine göre daha az risk taşıması,
• Olası hastalıklarda ailenin tüm fertleri için kullanılma ihtimalinin daha yüksek olması (yani doku uyum sorununun azlığı),
• Atılacak olan kordonun değerlendirilmesi sebebiyle israfı engellemesi,
• Kemik iliği gibi dokulardan elde edilen kök hücrelere göre farklılaşma özelliğinin daha fazla olması, gibi sebepler kordon kanı kök hücrelerini diğer kök hücrelere göre daha avantajlı kılmıştır.

Kordonun rahimden atılmasından sonraki yaklaşık 3 dakikalık süreçte kordon içindeki damarlarda kan akışı devam eder. Eğer bu sürede kordon kanı alınabilirse özel koşullarda dondurularak uzun yıllar saklanabilir. Nitekim günümüzde bu işi yapan kordon kanı bankalarının sayısı hızla artmaktadır.

KÖK HÜCRE TEDAVİSİNDE MUCİZE BULUŞLAR

Spermi Olmayan Erkeğe Kök Hücre!

Yakın bir gelecekte, spermi olmayan erkekler, kök hücre tedavisiyle geliştirilmiş spermlerle baba olabilecek. Spermi olmayan erkeklerde kök hücrelerden sperm geliştirme çalışmaları hızla devam ediyor. Bu yöntem başarılı olursa, hiç sperm üretemeyen erkekler için de tedavi imkanı doğmuş olacak.

Hayvanlar üzerinde yapılan çalışmalar daha olumlu sonuçlar veriyor. Aynı yöntemle kadın yumurtalık hücrelerinden de yumurta üretimi çalışmaları devam ediyor. Kök hücrelerden üreme hücreleri elde edilebilirse, başkasından sperm ve yumurta hücrelerinin alınmasına gerek olmayacak.

Süt Dişlerinden Kök Hücre !

 Çocukların süt dişleri, kök hücresi elde etmek için ideal bir kaynaktır; çünkü herhangi bir cerrahi işlem gerektirmez. 6 ila 13 yaş arasında kendiliğinden düşen 20 uygun süt dişi bulunmaktadır ve süt dişi kök hücreleri, yetişkin hücrelere nazaran tam gelişmemiş olmasından dolayı çok daha fazla doku tipi oluşturma potansiyeline sahiptirler.

Süt dişleri, diğer vücut hücrelerine dönüşebilme yeteneğinde olan kök hücreler bakımından oldukça zengindirler. Süt dişlerinin hücreleri, kök hücreleri gibi davranırlar. Hızla çoğalırlar, sinir benzeri hücreler halini alabilirler. Bu hücreler süt dişi kaynaklı multipotent kök hücreler olarak adlandırılmaktadır. Yapılan araştırmalar hayat kurtarma potansiyeli olan bu kök hücrelerin, gelecekte birçok hastalığın tedavisinde kök hücre kaynağı olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

Kök hücrelerle ilgili çalışmalar dünyada olduğu gibi Türkiye’de de hızla ilerliyor. Özellikle de diş hekimliği alanında gelişmeler devam etmektedir. Yakın zamanda bazı kök hücre tedavileri diş hekimliğinde yerini alacak. Yani yakın bir gelecekte özellikle diş eti, çene kemiği, çarpık diş ve çürük tedavileri, kök hücrelerle ortadan kaldırılabilecek ve dişsizlik adeta tarihe karışacak.

Kırık Kafatası Kök Hücre İle Onarıldı …

 Almanya da cerrahlar, ilk kez yağdan elde edilen kök hücrelerle insan vücudunda kemik büyümesini sağlayarak, 7 yaşındaki bir kız çocuğunun kırık kafatasını onardılar. Alman doktorları, 2 yıl önce düşerek kafatası kırılan çocuğa yağdan elde ettikleri kök hücreleri naklederek, tedavisi olanaksız görülen kafatasındaki eksik bölgelerde yeni kemikler oluşmasını sağladılar.

DOKU MÜHENDİSLİĞİ ve 3D-BIOPRINTING

Doku mühendisliğinin arkasındaki kavram basittir: Hastanın kök hücrelerini laboratuvarda büyütün, iskele malzemesine ekleyin ve laboratuvarda yetiştirilmiş bir organınız var. Ancak şimdiye kadar çok az hasta bu teknolojiden yararlandı. Değişim ufukta olabilir mi?

3D baskı birçok alanda uygulamalarla ortaya çıkan yeni bir teknolojidir. Tıpta, örneğin, dünya çapında çeşitli gruplar, insan vücudunun karmaşık dokularını ve organlarını büyütmek için 3D baskı kullanmanın yollarını araştırıyor.

3D baskı ile insan vücudu parçalarını oluşturmanın zorluklarından biri yalnızca yapıların karmaşıklığını çoğaltmak değil, aynı zamanda canlı bir vücutta nakilde kalmalarını sağlamaktır.

3D-bioprinting tekniği kullanılarak oluşturulmuş fonksiyonel insan vücudu parçaları hasar görmüş veya kaybolan organların değiştirilmesi için vücudun ‘yedek parçalarını’ oluşturma kavramı, genellikle doku mühendisliği olarak adlandırılan çeşitli biyoteknolojik uygulamaların merkezinde yer almaktadır. Doğum sonrası kök hücrelerin kullanımı doku mühendisliği perspektifini önemli ölçüde değiştirme potansiyeline sahiptir. Örneğin, cilt gibi sürekli olarak kendini yenileyebilen dokuların başarılı bir şekilde uzun süreli restorasyonu, geniş ölçüde kendini yenileyebilen kök hücrelerin kullanımına bağlıdır. Kök hücrelerin çeşitli dokulardan tanımlanması ve izole edilmesi, potansiyel gen terapileri için uygun hedefler sağlar.

Son yıllarda, 3D baskı insan vücudundakileri çoğaltabilecek karmaşık doku ve organların büyümesi için umut verici bir strateji olarak ortaya çıkmıştır. 3D baskı teknolojisi, biyolojik olarak çözünebilir, plastik benzeri bir malzemeyi ve optimize edilmiş su bazlı bir jeli birleştirmektedir. Plastik benzeri malzeme, 3D yapının şeklini oluştururken, su bazlı jel ise doku hücreleri içerir ve büyümelerini teşvik eder. 3D baskılar, nakil sonrası vücudun besinlerini ve oksijeni emmek için sünger görevi gören mikro kanallardan da oluşur. Bu, insan vücudunda çalışmak için ihtiyaç duydukları bir kan damarı sistemi geliştirdiklerinde yapıların hayatta kalmasına yardımcı olur.

Farklı yaklaşımlar arasında, yakın zamanda geliştirilen 3D-bioprinting teknolojisi, yapay olarak tasarlanan doku yapıları ile doğal dokular arasındaki farklılığı artırmayı vaat ediyor. 3D-bioprinting teknolojisinin, uzaysal dağılımlar üzerinde hassas bir kontrolle hücreleri ve biyomalzemeleri sunma konusunda eşi görülmemiş çok yönlülük ve
yetenek sunduğuna inanılıyor. Sonuç olarak, mühendislik yapılarını ince şekli, yapıyı, mimariyi ve dolayısıyla doku ve organları hedefleme fonksiyonunu taklit eden doğru, ayrıntılı ve hatta kişiselleştirilmiş özelliklerle yeniden tasarlamak mümkündür.

Genel olarak, mevcut 3B biyo baskı teknolojileri dolaylı ve doğrudan imalatlara ayrılabilir. Dolaylı 3D bioprinting, önce negatif fedakar kalıplar tasarlar, ardından istenen pozitif biyomateryal ile döküm ve ardından kalıpların seçici olarak çıkarılmasıyla elde edilir. Direkt 3B biyoprintig teknikleri ise, nokta-nokta ve / veya tabaka-tabaka şeklinde 3B yapılar oluşturur; in vivo sistemleri taklit etmek için geliştirilmiş tekrarlanabilirlik ve heterojenliğe sahip doku yapılarının elde edilmesi için çoklu hücre tiplerinin ve / veya biyomalzemelerin biriktirilmesinde fizibilite sağlar.