Biyomühendisler 3D yazıcıyla organ yazmada büyük zorluklardan birini aşarak, biyoyazıcıyla doku yazma tekniğinde çığır açıcı bir gelişmeye imza attı. Science dergisinde yayınlanan bu inovasyon sayesinde, bilim insanları vücuttaki kan, hava, akkan ve diğer hayati sıvıları aktaran ve tüm vücudumuzu saran bu muhteşem vasküler(damar) ağları üretebilecekler.
Araştırma Science dergisinin bu haftaki kapağında yer aldı. Çalışmada kanıt niteliğinde etrafını saran kan damarlarına oksijen taşıyan akciğeri taklit eden hava kesesi hidrojen modeli oluşturuldu. Ayrıca yapılan deneylerde farelerde biyoyazılmış karaciğer hücreleri içeren yapılar nakledildi.
Araştırma , biyomühendisler Rice Üniversitesi’nden Jordan Miller ve Washington Üniversitesi’nden Kelly Stevens liderliğinde ,Duke Üniversitesi, Rowan Üniversitesi ve Nervous System adlı özel firmanın da dahil olduğu 15 işbirlikçi yer alıyor.
“Fonksiyonel doku transplantları üretmek için en büyük engellerden biri yoğun bir şekilde yer alan dokulara besin taşımak için kompleks vasküler yapıyı basmaktı. Ayrıca organlarımız birbirinden bağımsız vasküler ağlar içeriyor; aynı akciğerdeki kan ve hava yolları ya da karaciğerdeki safra yolları ve kan damarları gibi. Birbirini engellenmeyen bu yollar fiziksel ve biyokimyasal olarak birbirine dolaşık dururken, sadece bu mimari bile doku fonksiyonuyla derinlemesine ilişkilidir. Bu ilk biyobaskı tekniğimiz, multivaskülarizasyon doğrudan ve kapsamlı bir şekilde mücadele etmeyi hedeflemektedir,” diyor Rice Brown Mühendislik Fakültesi’nden Yrd. Doç. Dr. Miller.
Araştırmacılar multivaskülarizasyonun oluşum ve fonksiyon ilişkisi açısından önemli olduğunu söylüyorlar.
“Doku mühendisliği bir nesildir bu problem mücadele ediyor. Bu çalışmada kendimize şunu sormamız daha iyi olur,” Eğer sağlıklı dokulara gibi görünen ve hatta nefes alan dokular basabilirsek, bunlar gerçek dokular gibi fonksiyon görebilir mi? Bu gerçekten önemli bir soru, çünkü basılan doku fonksiyonların ne kadar iyi olduğu, tedavinin ne kadar iyi olacağını etkileyecektir,” diyor Stevens.
Amaç sağlıklı, fonksiyonel organlar basarak organ nakilleri için gereken açığı kapatmak. Sadece ABD’de bile 100,000 kişi nakil listesinde yer almaktadır. Organ nakli olan insanlar bile halen organ reddini engellemek için ömür boyuy immün supresif ilaçlar almak zorundadır.
“Biyoyazılmış organların gelecek 20 yıl içinde tıbbin ana içeriğini oluşturacağını düşünüyoruz,” diyor Miller.
“Asıl ilginç olan karaciğer , çünkü akıllara zarar 500 fonksiyon üsleniyor, sanki beyin gibi. Karaciğerin kompleksliği şu anlama da geliyor, karaciğer çöktüğünde onun fonksiyonlarını üstlenecek bir tedavi veya makine yok. Biyobasılmış organlar belki bir gün tedavi umudu olur,” diyor Stevens.
Araştırmacılar doku mühendisliğindeki bu sorunu aşmak için yeni bir biyobaskı teknolojisi olan doku mühendisliği için stereolitografi aparatı teknolojisini kullandı. (stereolithography apparatus for tissue engineering, SLATE) Bu sistem bir seferde yumuşak hidrojen tabakası yapmak için katkı üretimi kullanıyor.
Sıvı başlangıç hidrojen çözeltisinden basılan tabakalar mavi ışık maruziyetinde sertleşiyor. Dijital ışık işleyen projektör alttan aydınlatarak, ardışık 2D dilimler halindeki yapıyı yüksek çözünürlükte aydınlatıyor. Piksel boyutları ise 10-50 mikron arasında değişiyor. Her tabaka katılaştıkça, 3D jeli büyüterek projektörü bir sonraki seviyeye taşıyor. Miller ve Bagrat Grigoryan mavi ışığın absorbsiyonu için gıda boyası eklemesiyle anahtar bileşen tamamlandı. Bu ışık emiciler sayesinde çok ince tabakalar halinde katılaşma sağlanabiliyor. Bu sistem sayesinde yumuşak, su bazlı, dakikalar içinde iç yapıyı oluşturabilecek biyo uyumlu jeller yapılabilir.
Akciğer taklit eden yapılardaki testlerde dokuların kan basıncına dayandığı ve ritmik bir şekilde nefes alabildiği simüle edildi. Testlerde kırmızı kan hücrelerinin oksijen alıp verirken keseden aktığı da gösterildi. Oksijenin bu hareketi akciğerlerdeki alveollerdeki gaz değişimine benzerdir.
Karaciğer hastalığı için yapılan testlerde ekip, 3D dokular basarak bunları birincil karaciğer hücreleriyle doldurarak farelere verdi. Dokularda farklı kan damarları ve karaciğer hücreleri
Dokular, kan damarları ve karaciğer hücreleri için ayrı bölümlere sahipti ve kronik karaciğer hasarı olan farelere nakledildi. Testlerde karaciğer hücrelerinin nakil sonrası hayatta kaldığı gösterildi.
Miller yeni biyobaskı sistemini intravasküler özelliklerde üretebileceği , örneğin bir yönde akışa izin veren ikili kapakçıklar gibi olabileceğini gösterdi. Bu intravasküler kapakçıklar akış pompalamayan kalp, ayak damarları ve lenf sistemi gibi kapsamlı ağlarda bulunabiliyor.
Araştırmacılar böylece doku mühendisliğinde, multivasküler ve intravasküler yapılar sayesinde vücuttaki pek iç yapıyı inşa etme özgürlüğüne sahip olacak.
Uzun zamandır açık kaynak 3D baskı şampiyonu olan Miller, yayınlanan Science dergisindeki çalışmasıdaki deneylerden elde edilen tüm kaynak verilerinin serbestçe kullanılabildiğini belirtiyor. Ek olarak, stereolitografi baskı aparatını oluşturmak için gereken tüm 3B yazdırılabilir dosyalar da, çalışmada kullanılan hidrojellerin her birini basmak için tasarım dosyaları mevcut olduğunu belirtiyor.
Miller, insan vücudunu oluşturan mimarileri keşfetmede henüz başlangıç aşamasında olduğumuzu ve halen öğrenmemiz gerek çok şey olduğunu belirtiyor.
Kaynak:
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190502143518.htm
The work was supported by the Robert J. Kleberg, Jr. and Helen C. Kleberg Foundation, the John H. Tietze Foundation, the National Science Foundation (1728239, 1450681 and 1250104), the National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 and DP5OD019876) and the Gulf Coast Consortia.
Araştırma Referansı :
- Bagrat Grigoryan, Samantha J. Paulsen, Daniel C. Corbett, Daniel W. Sazer, Chelsea L. Fortin, Alexander J. Zaita, Paul T. Greenfield, Nicholas J. Calafat, John P. Gounley, Anderson H. Ta, Fredrik Johansson, Amanda Randles, Jessica E. Rosenkrantz, Jesse D. Louis-Rosenberg, Peter A. Galie, Kelly R. Stevens, Jordan S. Miller. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. Science, 2019 DOI: 10.1126/science.aav9750
