Doku Mühendisliğine Genel Bakış

İnsan vücudunun doku ve organları yenileme yeteneği son derece verimsizdir ve insan doku ve organlarını kaybetmek, doğuştan gelen kusurlar, hastalıklar ve ani travma gibi nedenlerle kolaylıkla gerçekleşebilir. Doku öldüğünde (nekroz denir), hayata geri döndürülemez - çıkarılmaz veya onarılmazsa, çevredeki doku, organlar, kemik ve deri gibi vücudun diğer bölgelerini etkileyebilir.

Doku mühendisliğinin yararlı olduğu yer burasıdır. Biyomateryal (hücreler ve aktif moleküller gibi vücudun biyolojik sistemleriyle etkileşime giren madde) kullanılarak, hasarlı insan doku ve organlarını restore etmeye, onarmaya veya değiştirmeye yardımcı olacak işlevsel dokular oluşturulabilir.

Kısa bir tarihçe

Doku mühendisliği nispeten yeni bir tıp alanıdır ve araştırmaları sadece 1980'lerde başlamıştır. Yuan-Cheng Fung adlı Amerikalı bir biyomühendis ve bilim adamı, canlı dokulara adanmış bir araştırma merkezi için Ulusal Bilim Vakfı'na (NSF) bir teklif sundu. Fung insan dokusu kavramını aldı ve onu hücreler ve organlar arasındaki herhangi bir canlı organizmaya uygulayacak şekilde genişletti.

Bu öneriye dayanarak NSF, yeni bir bilimsel araştırma alanı oluşturma çabasıyla "doku mühendisliği" terimini etiketledi. Bu, daha sonra Doku Mühendisliği ve Rejeneratif Tıp Uluslararası Topluluğu (TERMIS) olan Doku Mühendisliği Derneği'nin (TES) oluşumuna yol açtı.

TERMIS, doku mühendisliği ve rejeneratif tıp alanında hem eğitimi hem de araştırmayı teşvik eder. Rejeneratif tıp, hem doku mühendisliğine hem de insan vücudunun dokuya, organlara ve insan hücrelerine normal işlevi geri getirmek için kendi kendini iyileştirme yeteneğine odaklanan daha geniş bir alanı ifade eder.

Doku Mühendisliğinin Amacı

Doku mühendisliğinin tıpta ve araştırmada birkaç temel işlevi vardır: kemik onarımı (kireçlenmiş doku), kıkırdak dokusu, kalp dokusu, pankreas dokusu ve vasküler doku dahil olmak üzere doku veya organ onarımına yardımcı olmak. Alan aynı zamanda kök hücre davranışı üzerine de araştırma yapmaktadır. Kök hücreler birçok farklı hücre türüne dönüşebilir ve vücudun bölgelerini onarmaya yardımcı olabilir.

Doku mühendisliği alanı, araştırmacıların kanser ve kalp hastalığı gibi çeşitli hastalıkları incelemek için modeller oluşturmasına olanak tanır.

Doku mühendisliğinin 3B doğası, tümör mimarisinin daha doğru bir ortamda çalışılmasına izin verir. Doku mühendisliği ayrıca bu hastalıklar üzerindeki potansiyel yeni ilaçları test etmek için bir ortam sağlar.

Nasıl çalışır

Doku mühendisliği süreci karmaşıktır. Vücuttaki bir doku veya organı onarmaya, değiştirmeye ve yenilemeye yardımcı olmak için 3D işlevsel bir doku oluşturmayı içerir. Bunu yapmak için hücreler ve biyomoleküller iskelelerle birleştirilir.

İskeleler, gerçek organları (böbrek veya karaciğer gibi) taklit eden yapay veya doğal yapılardır. Doku, değiştirilmesi gereken biyolojik süreci veya yapıyı taklit etmek için bu iskeleler üzerinde büyür. Bunlar birlikte inşa edildiklerinde, eski dokunun hasar görmediği veya hastalanmadığı zamanki durumunu kopyalamak için yeni doku tasarlanır.

İskeleler, Hücreler ve Biyomoleküller

Normalde vücuttaki hücreler tarafından oluşturulan iskeleler vücuttaki proteinler, insan yapımı plastikler gibi kaynaklardan veya bir donör organ gibi mevcut bir iskeleden yapılabilir. Bir donör organ söz konusu olduğunda, yapı iskelesi, hastanın bağışıklık sistemi tarafından gerçekten reddedilmesi muhtemel kişiselleştirilebilir organlar veya dokular oluşturmak için hastadan alınan hücrelerle birleştirilecektir.

Nasıl oluştuğuna bakılmaksızın, vücuttaki hücre işlevlerini desteklemeye ve optimize etmeye yardımcı olan hücrelere mesajlar gönderen bu yapı iskelesidir.

Doğru hücreleri seçmek doku mühendisliğinin önemli bir parçasıdır. İki ana kök hücre türü vardır.

İki Ana Kök Hücre Tipi

• Embriyonik Kök Hücreler: genellikle in vitro (vücut dışında) döllenmiş yumurtalarda bulunan embriyolardan kaynaklanır.
• Yetişkin Kök Hücreler: Vücudun içinde normal hücreler arasında bulunur - ölmekte olan hücreleri ve dokuları yenilemek için hücre bölünmesiyle çoğalabilirler.

Şu anda pluripotent kök hücreler (embriyonik kök hücreler gibi davranmaya teşvik edilen yetişkin kök hücreler) üzerinde de pek çok araştırma yapılmaktadır. Teoride, sınırsız pluripotent kök hücre kaynağı vardır ve bunların kullanımı, insan embriyolarının yok edilmesi meselesini içermez (bu da bir etik soruna neden olur). Aslında, Nobel Ödüllü araştırmacılar, pluripotent kök hücreler ve bunların kullanımları hakkındaki bulgularını yayınladılar.

Genel olarak, biyomoleküller dört ana sınıfı içerir (ikincil sınıflar da vardır): karbonhidratlar, lipitler, proteinler ve nükleik asitler. Bu biyomoleküller, hücre yapısını ve işlevini oluşturmaya yardımcı olur. Karbonhidratlar, beyin ve kalp gibi organların, sindirim ve bağışıklık sistemleri gibi çalışan sistemlerin çalışmasına yardımcı olur.

Proteinler, yapısal destek ve vücut hareketinin yanı sıra mikroplara karşı antikorlar sağlar. Nükleik asitler, hücrelere genetik bilgi veren DNA ve RNA içerir.

Tıbbi Kullanım

Doku mühendisliği, hasta bakımı veya tedavisi için yaygın olarak kullanılmamaktadır. Hastalarda deri greftlerinde, kıkırdak onarımında, küçük arterlerde ve mesanelerde doku mühendisliğini kullanan birkaç vaka olmuştur. Bununla birlikte, kalp, akciğerler ve karaciğer gibi doku mühendisliği yapılmış daha büyük organlar, henüz hastalarda kullanılmamıştır (laboratuvarlarda yaratılmış olsalar da).

Hastalarda doku mühendisliği kullanmanın risk faktörünün yanı sıra, prosedürler son derece maliyetlidir. Tıbbi araştırma söz konusu olduğunda, özellikle yeni ilaç formülasyonlarını test ederken doku mühendisliği yararlıdır.

Canlı, işleyen dokuyu vücut dışındaki bir ortamda kullanmak, araştırmacıların kişiselleştirilmiş tıpta kazanımlar elde etmesine yardımcı olur.

Kişiselleştirilmiş tıp, bazı ilaçların genetik yapılarına dayalı olarak bazı hastalar için daha iyi çalışıp çalışmadığını belirlemeye yardımcı olur ve ayrıca hayvanlar üzerinde geliştirme ve test maliyetlerini düşürür.

Doku Mühendisliği Örnekleri

Ulusal Biyomedikal Görüntüleme ve Biyomühendislik Enstitüsü tarafından yürütülen yeni bir doku mühendisliği örneği, daha sonra bir fareye implante edilen bir insan karaciğer dokusunun mühendisliğini içerir. Fare kendi karaciğerini kullandığından, insan karaciğer dokusu ilaçları metabolize ederek, insanların farenin içindeki bazı ilaçlara nasıl tepki vereceğini taklit eder. Bu, araştırmacıların belirli bir ilaçla hangi olası ilaç etkileşimlerinin olabileceğini görmelerine yardımcı olur.

Yerleşik bir ağa sahip bir doku tasarlama çabası içinde, araştırmacılar bir şeker çözeltisinden vasküler benzeri bir ağ oluşturan bir yazıcıyı test ediyorlar. Çözelti, işleme kan eklenene kadar tasarlanmış dokuda oluşacak ve sertleşecek ve insan yapımı kanallardan geçecektir.

Son olarak, hastanın kendi hücrelerini kullanarak bir hastanın böbreklerinin yenilenmesi Enstitünün bir başka projesidir. Araştırmacılar, biyomoleküllerle birleştirmek için donör organlardan gelen hücreleri ve yeni böbrek dokusunu büyütmek için (donör organdan) bir kolajen iskelesi kullandılar.

Bu organ dokusu daha sonra hem farelerin dışında hem de içinde işleyişi (besinleri emmek ve idrar üretmek gibi) için test edildi. Bu doku mühendisliği alanındaki ilerleme (kalp, karaciğer ve akciğerler gibi organlar için de benzer şekilde çalışabilir), organ nakli hastalarında bağışıklığın baskılanmasıyla ilişkili hastalıkları azaltmanın yanı sıra donör eksikliklerine yardımcı olabilir.

Kanserle İlişkisi

Metastatik tümör büyümesi, kanserin önde gelen ölüm nedenlerinden biridir. Doku mühendisliğinden önce, tümör ortamları sadece vücut dışında 2D olarak oluşturulabiliyordu. Şimdi, 3D ortamlar ve belirli biyomalzemelerin (kolajen gibi) geliştirilmesi ve kullanılması, araştırmacıların, hücrelerdeki belirli kimyasal bileşimler değiştiğinde hastalığa ne olduğunu görmek için belirli hücrelerin mikro ortamına kadar bir tümörün çevresine bakmalarına izin veriyor. .

Bu şekilde doku mühendisliği, araştırmacıların hem kanser ilerlemesini hem de belirli terapötik yaklaşımların aynı kanser türüne sahip hastalar üzerindeki etkilerinin neler olabileceğini anlamalarına yardımcı olur.

Doku mühendisliği yoluyla kanseri incelemek için ilerleme kaydedilmiş olsa da, tümör büyümesi genellikle yeni kan damarlarının oluşmasına neden olabilir. Bu, doku mühendisliğinin kanser araştırmalarıyla yaptığı ilerlemelerde bile, yalnızca tasarlanmış dokunun canlı bir organizmaya implante edilmesiyle ortadan kaldırılabilecek sınırlamalar olabileceği anlamına gelir.

Ancak kanserde doku mühendisliği, bu tümörlerin nasıl oluştuğunu, normal hücre etkileşimlerinin nasıl görünmesi gerektiğini ve kanser hücrelerinin nasıl büyüdüğünü ve metastaz yaptığını belirlemeye yardımcı olabilir. Bu, araştırmacıların tüm organ veya vücut yerine yalnızca kanser hücrelerini etkileyecek ilaçları test etmesine yardımcı olur.