Kimya, maddenin yapısını, içinde bulunan atom ve molekülleri, onlar arasındaki ilişkileri, maddelerin birbirine dönüşümlerini, madde ile enerji ilişkisini inceleyen bir bilim dalıdır. Çevremizde gözümüzün görebildiği canlı veya cansız her şeyin yapısında atomların olduğunu düşünürsek ‘kimya’ her yerdedir diyebiliriz. Vücudumuz ise atom ve moleküllerden oluşmuş ve hiç ara vermeden devamlı çalışan büyük bir fabrika gibidir.
Vücudumuzda milyonlarca kimyasal reaksiyon çoğu zaman bizim farkına varmadığımız şekilde birbirini tetikleyerek oluşur. Örneğin, bizim isteğimiz olup olmadığına bakmadan kalbimiz kendi kendine kanımızı pompalar, böbreğimiz kanımızı süzer, midemiz yediklerimizi sindirir. Bu kadar hassas çalışan denge bazı durumlarda, hastalık, kaza, yaş veya genetik nedenlerle bozulabilir. Doku ve organ kayıpları olabilir. İşte böyle durumlarda hasarlı dokumuzu tamir etmek için değişik malzemeler kullanabiliriz. Çürüyen dişimize dolgu, kırılan kemiğimize çivi, gözümüze katarakt lensi konulabilir. Tedavi amaçlı kullanılmak üzere tasarımları yapılan ve vücudumuza giren yabancı malzemelerin alerjik veya toksik etki yaratmaması, başka bir deyişle ‘biyouyumlu’ olması gerekir.
Organ yapmanın tarihi
İnsanlar çok eski çağlardan beri farklı malzemeleri tedavi amaçlı kullandılar. Bilinen en eski protez Mısırda bulunan ve M.Ö. 1069 – 664 yıllarına ait olduğu düşünülen bir mumyanın, deri ve ağaçtan yapılmış olan ayak başparmağıdır (Şekil 1-A). Hipokrat yazılarında, M.Ö.6. ve 7. yüzyıllarda Mısırlıların, Fenikelilerin ve Etrükslerin altın teller kullanarak düşen dişleri tekrar ağız içine yerleştirdiğini belirtmiş ve dişleri bağlama tekniklerini detaylı anlatmıştı (Şekil 1-B).
Mekanik bilgisinin ve metal işlemesinin artması ile 15. Yüzyıldan itibaren hareketli takma eller ve protez bacaklar yapılabildi (Şekil 2). Ancak vücut içine bir çivi veya bir malzeme yerleştirmek amacı ile yapılan tüm cerrahi operasyonlar başarısız oldu. Bunun nedeni, yara bölgesinin veya cerrahi uygulama yapılan dokunun enfeksiyon kapmasıydı. Ancak, 1870’lerde Louis Pasteur mikropların varlığını keşfedip, Joseph Lister antiseptikleri yapınca, operasyon alet ve odalarının sterilize edilmesiyle ameliyetlarda başarılar kaydedilmeye başlandı.
Son 50 yılda gerek malzeme gerekse nanoteknoloji konularında yapılan ilerlemeler sonucu, istenilen özellikleri taşıyan ve vücut dokuları ile iyi uyum kurabilen, başka bir deyişle ‘biyouyumlu ve biyoaktif’ olan malzemelerin üretimi mümkün oldu. Günümüzde, vücudumuzun hemen her bölgesinde oluşan bozulma veya hasarları tedavi etmek veya desteklemek amacıyla çok değişik malzemeler ve onlardan yapılan değişik implantlar kullanılıyor (Şekil 3).
Doku Mühendisliği nedir?
“Doku Mühendisliği”, 21. yüzyılın en yoğun çalışılan konulardan birisi. Bu alan, laboratuvarda hücre kültür ortamında ‘canlı doku’ yapabilir miyiz sorusunun yanıtını araştırır. Biyolojik ortamda belli süre durduktan sonra eriyen ve ‘biyobozunur’ olarak adlandırılan malzemeler, doku mühendisliğinin iskele yapılarıdır. Farklı teknikler ile 3-boyutlu ve gözenekli hazırlanan bu iskeleler üzerine hücreler eklenir ve kültür ortamında hücrelerin büyümesi sağlanır. Ekilen hücreler dokuya göre belli bir hücre tipi olabileceği gibi kök hücre de olabilir ve uygulanacağı amaca yönelik olarak kültür ortamında büyümesi gerçekleşir. Kültür ortamının kompozisyonu kök hücrenin farklılaşmasını sağlar. Eğer uygulama bir kemik hasarına yönelik ise osteoblast (kemik hücresi), bir deri uygulaması ise fibroblast (bağ doku hücresi) oluşur.
Doku iskeleleri üzerine ekilen hücrelerin hastanın kendisinden alınmış olması tercih edilir. Hastanın kendi hücreleri kullanıldığı zaman vücudun implant dokusunu red etme riski ortadan kalkar. İlk kez 1990’larda Prof. Robert Langer tarafından bir fare üzerinde kulak kıkırdağı oluşumu için yapılan çalışmalar, 2013 yılında Çin’de bir insana uygulandı. Burnunu trafik kazasında kaybeden hastanın alnına yerleştirilen burun şeklindeki iskele üzerinde kendi dokusunun gelişmesi sağlandı (Şekil 4).
Biyobozunur doku iskelelerinin hazırlanmasında genellikle karbon bazlı polimerler ve onların oluşturduğu kompozitler kullanılır. Bu polimerik iskeleler üzerine hücrelerin tutunması, bulundukları ortamı sevmeleri ve çoğalarak doku oluşturması istenir. Yeni dokunun gelişmesi sırasında doku iskelesi yavaş yavaş eriyip yok olur ve geride yabancı hiçbir malzeme kalmaz. İmplantlarda, biyouyumluluğu artırmak amacıyla malzeme yüzeyine protein gibi moleküller bağlamak, pıhtılaşmayı önlemek amacıyla heparin gibi moleküller eklemek, kontrollu ilaç salımı sağlayabilmek amacıyla içi ilaç dolu mikro-nanopartiküller koymak, hücre tutunmasını artırmak için nano-desenler oluşturmak ve bir şekilde biyouyumu artırmak mümkündür.
Bu tür desteklere eklenen ve büyüme faktörleri içeren mikro-nanopartiküllerin zamanla degrede olduğu, biyoaktif moleküllerin degredasyon hızına bağlı olarak salındığı, hem deri gibi yumuşak dokuda hem de kemik gibi sert dokuda hızlı ve düzgün iyileşme oluşturduğunu gösteren çok sayıda araştırma bulunuyor.
Son yılların en önemli konularından biri ise 3-boyutlu yazıcılar ile istenilen formda ve hastaya özgü organ basma çalışmaları. 3-Boyutlu yazıcılar ile hem malzemeyi hem de hücreleri aynı anda ve istenilen formda basabilmek ve doku oluşumunu daha kontrollü yapabilmek mümkün oldu. Bu tür yapılara da yukarıda belirtildiği gibi biyoaktif ajanları eklemek ve ‘hastaya özgü’ implant hazırlamak mümkün. Örneğin, bir çocuk hasta için onun anotomisine uygun boyutta, çok deforme kemik hasarı olan bir hasta için onun iskelet yapısına uygun şekilde doku iskeleleri hazırlanabilir.
Yeni üretimi yapılan tüm malzemeler, hastalara uygulanmadan önce laboratuvar ortamında çok detaylı incelenirler. İlk olarak kimyasal, fiziksel, mekanik ve termal özellikleri ölçülür, daha sonra hücre kültür deneyleri ile toksik etkilerinin olup olmadığı kontrol edilir. Bir sonraki basamakta malzemenin laboratuvar hayvanları üzerinde uygulamaları yapılır. Tüm bu testlerden olumlu netice elde edildikten sonra ilk hasta uygulamalarına geçilir. Bu işlemler emek, para ve zaman isteyen çok yoğun çalışmalardır.
Yarı Canlı Yapay Zeka
Canlıların temel elementi karbondur. Vücudumuzun yapıtaşları olan DNA, RNA, protein gibi moleküllerin yapısında en çok bulunan element karbondur. Onun yanında oksijen, hidrojen, azot ve diğer elementler yer alır. Diğer taraftan, karbon ile aynı grupta bulunan, yapısı karbona çok yakın olan ancak fazladan bir elektron halkası bulunan silisyum, tüm cansızların temel elementidir. Taş, toprak gibi malzemeler silisyum bazlıdır.
Silisyum aynı zamanda günümüzde büyük önem kazanmış olan entegre devrelerin, bilgisayarların, silikon-çiplerinin temel malzemesi. İletişim ağlarının ve robotların yapımında kullanılıyor. Kimyasal olarak birbirine oldukça benzemekle birlikte bu iki element çok büyük farklılıklar gösteriyor (Şekil 5).
Tüm canlılar ve ‘DOĞAL ZEKA’ karbon-bazlı, tüm cansızlar ve ‘YAPAY ZEKA’ silisyum bazlı.
Doku mühendisliği, kimyacıların, biyologların ve malzeme mühendislerinin bilgi birikimleri ile laboratuvarda ‘yedek organ’ üretebilme uğraşı veriyor. Hücre tipleri belli ve yapısı nispeten kolay olan bazı dokular, örneğin deri, kemik, kıkırdak, mesane, kornea dokuları laboratuvarlarda yapılabiliyor. Diğer taraftan çok yoğun sinir ağları içeren ve tüm hareketlerimizi kontrol eden canlı bir beyin oluşturmak pek mümkün görünmüyor. Ancak, unutmamak gerekir ki, bilim bir taraftan kanlı-canlı bir dokuyu laboratuvarda yapabilmek konularında ilerleme gösterirken, diğer taraftan da bilgisayar ağları ve iletişim konularında büyük atılım yapıyor. Bu durum aklımıza değişik bir soru getiriyor:
Laboratuvarlarda oluşturulan canlı dokular ile silikon-çipleri birleştirmek ve ‘YARI CANLI-YAPAY ZEKA’ oluşturmak mümkün mü? Bunu zaman gösterecek.
Nesrin Hasırcı
Bilim Akademisi üyesi
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Bölümü öğretim üyesi
ODTÜ BIOMATEN – Biyomalzeme ve Doku Mühendisliği Mükemmeliyet Merkezi
