Biyomimetik: Doğayı taklit eden teknolojiler

Bu metin bir Meraklısına Bilim sohbetinden derlenmiş ve geliştirilmiştir. 

Biyomimetik nedir?  

Biyomimetik doğayı taklit etmek demek.  Araştırmacılar olarak laboratuvarlarda hep bir sorundan, bir ihtiyaçtan, bir eksiklikten yola çıkarak, o soruna çare bulmaya, bir metodoloji veya ürün geliştirmeye, insanların gündelik hayatlarını iyileştirecek çözümler bulmaya çalışıyoruz. Dünyanın milyarlarca yıllık bir tarihi var. Orada işleyen bir sürü sistem var. Tıkır tıkır çalışan bir fabrikadan bahsediyoruz ve birçok sorumuzun cevapları doğada gizli aslında.

Biyomimetik yeni bir disiplin veya algı değil.  Doğadaki olgulardan, doğadaki malzemelerden, doğadaki yapılardan hep esinlenmişiz. Biyomimetik alanı, işte böyle doğadaki farklı olayları, malzemeleri veya oluşumları taklit ederek insanın gündelik hayatındaki ihtiyaçlarına veya dünyanın sorunlarına çözüm bulabilmek adına yapılan çalışmaları kapsıyor.

Benim çok sevdiğim örneklerden biri, çocukların ayakkabılarında, kıyafetlerimizde  kullanılan cırt cırtlar. Bir diğer ismi de velcrodur ve çok güzel bir biyomimetik ürünüdür. Bu ürünün geliştirilmesi için esin kaynağı olan bitkinin Türkçe ismi; “dul avrat otu” (İng. burdock).  Bu bitki ülkemizde de  çokça bulunur.  Velcroyu yani cırt cırtı geliştiren İsviçreli George de Mestral (1907–1990) 1941’de Alplerde bir yürüyüşe çıkıyor,^[1]An idea that struck how George de Mestral invented the velcro fastener,  https://www.velcro.com/news-and-blog/2016/11/an-idea-that-stuck-how-george-de-mestral-invented-the-velcro-fastener/ yanında köpeği de var. Yürüyüş sonrasında bakıyor ki dul avrat otu bitkisinin tohumlarını taşıyan keseler paçalarına, köpeğinin tüylerine yapışmış. İlgisini çekiyor, bu yapıları daha yakından inceliyor. Bu keseler çok ince kanca şeklinde yapılara sahip ve bu kanca şeklinde yapılarla hayvanların tüylerine vs. tutunuyor ve bir yerden bir yere taşınabiliyor. Aslında doğadaki tohumların dağılma yöntemleri çok çeşitli. Bitkiler, ağaçlar hareket edemiyorlar, ama tohumları çok uzak yerlere dağılabiliyor. Bitkinin tohumlarını dağıtmak için kullandığı bu yöntem bizim başka bir işimizi çözüyor. George de Mestral de üstüne yapışan bu biyolojik yapılara bakıp bu  kancalı yapıyı acaba kullanabilir miyiz diye merak ediyor ve ve bugün yaygın olarak kullandığımız cırt cırtlar ortaya çıkıyor.

Başka bir örnek olarak da Japonların çok hızlı kurşun tren dedikleri Shinkansen trenleri gösterilebilir. Ancak Shinkansen trenleri ilk geliştirilirken özellikle tünellere giriş çıkış esnasında sürtünmeden dolayı çok ciddi bir ses problemi yaşanıyormuş.  Doğada Yalıçapkını diye bir kuş var; ince ve uzun bir kafa ve gaga yapısı var. Bu sayede balık yakalamak için  suya daldığında etrafa hiç su sıçratmaz, gagası o kadar keskindir. Shinkansen’i geliştiren mühendislerden biri bundan esinlenmiş ve kurşun trenlerin burun kısımlarını benzer yapıda şekillendirmiş. Sonrasında yaşanan ses problem büyük ölçüde çözülmüş.

Doku mühendisliği nedir, biyomimetik alanıyla ilişkisini anlatabilir misiniz? 

Doku mühendisliği, hasarlı organ ve dokuları onarmaya yönelik bir yaklaşım, bir bilim dalı.  İhtiyacın çok büyük olmasından dolayı da son yıllarda hızlı ilerliyor; oldukça yeni ve çok disiplinli bir bilim alanı. Temel bilimlerden, mühendislikten, tıptan birçok araştırmacı bu alana katkı yapıyor. Doku mühendisliğinin farklı uygulamalarında biyomimetik prensipleri kullanarak biyolojik dokuların yapı ve fonksiyonlarının taklit edilmesi amaçlanıyor. Biyomimetik yaklaşım doğadan ilham alarak yapay dokuların tasarımını orjinallerine benzer şekilde sağlamayı ve biyolojik sistemlerle uyumlu gerçekçi çözümler geliştirmeyi hedefliyor.

Doku mühendisliğinde teknolojik olarak hangi noktadayız?

Doku mühendisliğinin şu ana kadar başardıklarına bakarsak henüz üç boyutlu yazıcılarla organların basılabildiği bir noktada değiliz.  Vücudumuzda çok kompleks organlar ve dokular var. Kalp, böbrekler, karaciğer, akciğer… Bunlar birçok farklı hücreyi, hücre dışı etmeni ve yapıyı bir arada barındırmakta. Bunları, fonksiyonel olarak tam anlamıyla çalışır halde üretmek oldukça zor. Doku mühendisliği araştırmaları ve uygulamaları henüz emekleme aşamasında.

Birçok yeni malzeme geliştirildi, bir sürü yeni model geliştiriliyor ama henüz laboratuvarda “Tamam, biz hastaya yapay organ yapıyoruz, bunu üç boyutlu yazıcıdan çıkartıyoruz ve hastaya naklini yapıyoruz” aşamasında değiliz. Peki, ‘’Neredeyiz?’’ derseniz, daha basit yapıların artık laboratuvar koşullarında üretilip, hastalara nakledildiği örnekler var. Daha basit yapılar derken daha ince, daha az karmaşık organlardan bahsediyoruz… Cilt mesela. Yapay cilt modelleri çok fazla, artık pazara bile sürülmeye başlandı. Örneğin, yanıklar veya çeşitli hastalıklar nedeniyle doku kaybı yaşayan hastalar var. Bu hastaların kendi hücreleri alınabiliyorsa -hasar görmeyen hücreler bulunabiliyorsa- bu hücreler laboratuvar ortamında uygun doku iskeleleri üzerinde büyütülüp, fonksiyonel hale getirilip hastaya nakli sağlanıyor. Doku iskelesi derken dokuyu büyütmeye elverişli olarak bizim geliştirdiğimiz malzemelerden bahsediyoruz. Bu noktada özellikle biyomimetik yaklaşımların ve malzemelerin çok faydasını gördüğümüzün altını çizmeliyiz.

Başka bir örnek; yara örtüsü. Yara örtüsünü  canlı bir bant olarak düşünebilirsiniz. Deride yanık gibi herhangi bir sorun oluşmuştur, kullanılan yara örtüsü hastanın hücrelerini veya orayı onarıcı hücreler de içerir. Bu bant alttaki yara dokusunu iyileştirirken bir taraftan da yeni doku oluşmasını sağlar ve yaralı kısma entegre olur. Bir süre sonra kullanılan malzeme ortadan kaybolurken yeni ve sağlıklı cilt dokusu bu malzemenin yerini alır. Ekstradan operasyon veya tedaviye gerek kalmaz.

Günümüzde kliniğe ulaşmış teknolojilerden en önemlilerden biri cilt doku mühendisliği, diğeri de kemik doku mühendisliğidir. Kemiklerde kırılmalar, kemik kaybına yönelik çeşitli hastalıklar için doku yenilemesi yapılabiliyor.

Kemik çok sert bir doku olduğu için dışarıda bir şey üretip oraya zorlayarak sokabileceğiniz bir yapı değil. Kemikte oluşan kayıplar, böyle üç boyutlu (3B) kendine özgü şekiller oluyor, kayıp bölgeyi doldurmanız gerekiyor. Böyle durumlar için son yıllarda üç boyutlu yazıcı teknolojisi çok revaçta.

Çeşitli görüntüleme yöntemleriyle, MR’la veya bilgisayarlı tomografi ile hastanın kemik kaybı olan üç boyutlu yapı modelleniyor. Ondan sonra çeşitli programlarla o yapı çiziliyor ve üç boyutlu biyoyazıcılarda öncelikle doku iskelesi oluşturuluyor. Ondan sonra, doku iskelesi oluşturulduktan sonra kök hücre veya eğer mümkünse hastanın kendisinden alınan hücreler bu iskele üzerinde çoğaltılıyor ve doku büyütülüyor. Mümkünse hastanın kendisinden alınan hücreler kullanılıyor; çünkü çok kuvvetli bir bağışıklık sistemimiz var ve hastanın kendi hücrelerini kullanarak bağışıklık tepkisinin önüne geçebiliyoruz. Bağışıklık tepkisi yüzünden her şeyi vücuda koyamıyorsunuz. Bu yaklaşım “kişiselleştirilmiş tıp” diye geçiyor son yıllarda ve çok ilgi görüyor. Hastadan kendi hücrelerini alıyorsunuz, o doku iskelesi üzerinde üç boyutlu olarak büyütüyorsunuz ve daha sonra hastaya nakli mümkün oluyor.

Biyomalzemenin jel şeklinde olduğu uygulamalar da var. Buna biyomürekkep veya “enjekte edilebilir malzeme” diyoruz. Bu malzeme hastanın hücreleri ile karıştırılıyor ve şırıngayla boşluğun olduğu yere, hasarın olduğu yere enjekte ediliyor. O jelle birlikte hücreler de oradaki boşluğu dolduruyor, orada sertleşiyor. Hücreler büyümeye başlıyor. Dokuyu oluşturuyor ve hastanın ağır operasyonlara maruz kalmamasını sağlıyor. Fakat dediğim gibi bu teknolojiler hâlâ gelişen ve yeniliğe açık teknolojiler.

Günümüzde doku mühendisliğinde genel olarak bu noktadayız ama önümüzdeki 10-15 yılda çok ciddi sıçrama olacağını düşünüyorum. Umuyorum o üç boyutlu yazıcılarla kalp dokusunun, böbrek dokusunun çok daha karmaşık organların basılıp hastaların ihtiyacının giderildiği zamanları göreceğiz.

Tüm bu uygulamalar ilaç sektörünü nasıl etkileyecek?

Aslında böyle anlatınca sanki ilaç sektörü sekteye uğrayacakmış gibi görünüyor ama tam tersi.  Bu geliştirilen teknolojilerin hepsi özellikle de ilaç sektörünün çok işine yarayacak teknolojiler.

Bir ilacın geliştirilmesi için birçok ilaç adayı molekül oluyor, bir ilaç şirketi 20-25 molekülle yola çıkıyor. Bunların denenmesi,  güvenilirliklerinin ve etkinliklerinin kanıtlanması gerekiyor. Önce laboratuvar ortamında hücrelerde, sonra hayvan modellerinde, sonra klinik denemelerle test ediliyor. Dediğim gibi bu hem çok uzun hem de maliyetli bir süreç ve o belki 20-25 molekülle yola çıkan ilaç firması, bu testleri geçebilen ilacı ya bulabiliyor ya bulamıyor. İlaç geliştirmede, özellikle ilaç AR-GE’sinde böyle bir sorun var. Bizler doku mühendisliği çalışmalarında ilacın etkisinin, ilacın uygunluğunun, güvenilirliğinin test edilebileceği deneysel platformlar geliştiriyoruz.

İlaçların bilinen en önemli  yan etkilerden biri mesela, kardiyak toksisite. Yani ilacın kalp-damar sistemine verdiği zarar ve bu etki ani ölümlere ve çok ciddi sorunlara yol açabiliyor. Doku mühendisliğinin bu ilaçların test edilebileceği üç boyutlu yapay organ ve doku modelleri geliştirmek gibi bir yaklaşımı da var. Yani ilacı hayvanlarda veya insanlarda test etmeden, laboratuvar ortamında “İlacın o dokuya etkisi nedir, o organa etkisi nedir?” sorusuna yanıt arayabiliyoruz. Bu uygulamaların etik bir kazanımı da var. Hayvanların ilaç denemelerinde kullanılmasının önüne geçiyoruz. Aslında bilim camiasının önemli bir kısmı hayvanların ilaç çalışmalarında kullanılmasının yanlış olduğunu ileri sürüyor, çünkü hayvan farklı bir organizma, biz farklı bir organizmayız. Yani kişiden kişiye bile değişen etkilerden bahsediyoruz. Bana iyi gelen bir ağrı kesici size iyi gelmeyebilir. Size etki eden bir ilaç bana etki etmeyebilir. İnsanlar arasında bile genetik ve çevresel unsurlara bağlı olarak bu kadar farklılık varken ilaç geliştirmede hayvanların kullanılmasına daha iyi bir alternatif geliştirebilir miyiz? Doku mühendisliği bu aradaki boşluğu nasıl kapatabilir?’’  soruları bugün geçerli sorular. Yine aynı şekilde doku modelini insandan aldığımız hücrelerle geliştirdiğimizi düşünün. Aslında o insanın dokusunun veya organının küçük bir replikası laboratuvarda elinizde olacak ve o ilacı verdiğinizde o ilaca tepkisi ne olacak? Toksik etki gösterecek mi veya o ilaç faydalı olacak mı kolaylıkla ve hızlıca ölçebileceksiniz.  Özellikle kanser hastalarında böyle bir sorun var. Onkoloji ünitelerinde çok bilindik ilaçlar var. Belli sorunlara karşı belli reçetelerle yola çıkıyorlar ama bir bakıyorlar, bir süre sonra A hastasında işe yarayan ilaç, B hastasında etkili olmamış, veya o doz işe yaramamış. Doz artırımına gidiliyor. Bunlar hastayı hırpalayan şeyler. Zaten kanser hastası hayatını yeterince zor koşullarda sürdürüyor. Hastanın bunu yaşamaması için laboratuvar ortamında hastadan alınan hücrelerle üç boyutlu bir tümör modeli oluşturuyoruz. Sonra, kanser ilaçları bu tümör modeli üzerinde hızlıca denenebiliyor. Hangi ilaç etkili, hangi doz etkili?’’ bu yorumlanabiliyor. Tabii, bu yöntemler hâlâ deneme aşamasında, ama yakında bu teknolojiler klinikte de rutin olarak kullanılır hale gelecektir diye düşünüyorum.

Biyosensör nedir, biyomimetikle ilişkisini ve kullanım alanlarını anlatır mısınız?

Canlı organizmaların veya biyolojik moleküllerin kullanıldığı test cihazlarına genel olarak biyosensör diyoruz. Söz konusu sensörlerin geliştirilmesinde de yine doğaya gözümüzü çeviriyoruz; bağışıklık sistemince üretilen antikorların ilgili antijenlerle etkileşimlerinden, enzimlerin spesifik substratları ile etkileşimlerinden yararlanarak ya da bu moleküllerinden çeşitli özellikleri ve birbirlerine çekiminden faydalanarak sensör sistemleri geliştiriyoruz. Sonuç olarak, biyosensörler geliştirilirken biyomimetik yaklaşım sayesinde biyolojik sistemlerin hassas algılama özelliklerinden ilham alınıyor. Bu sayede çevresel değişiklikleri ve biyokimyasal maddeleri tespit etme ve tanı amaçlı kullanımda doğadan ilham alınarak etkili sensör sistemleri geliştiriliyor.

Biyosensörler çok geniş bir topluluk.  Sadece sağlık alanında kullanılanlar değil, çevresel biyosensörler var, gıda teknolojisinde gıda sektöründe kullanılan biyosensörler var, biyosensörlerin  çok farklı uygulamaları var. Biz sağlık alanındaki biyosensörlerle ilgileniyoruz: kanser erken teşhisini sağlayacak biyosensörler veya bulaşıcı hastalıklar genel olarak ilgi alanımızda.

Bulaşıcı hastalıklar deyince akla gelen ilk örneklerden bir tanesi Covid-19 için de kullanılan antikor testi. Bu testler vücudumuzun savunma sisteminin, geliştirdiği biyolojik molekülleri kullandığımız biyosensör platformları. Vücuda yabancı bir madde (yani antijen) girdiğinde savunma sisteminde antikorlar etkin hale geliyor, sonrasında o yabancı maddeyi yakalayıp vücuttan dışarı atmaya yönelik bir mekanizma çalışmaya başlıyor. Burada çok ciddi bir etkileşim var antijenle antikor arasında. Yani, biri yabancı madde, diğeri onu tanımlayan, vücudumuzun savunma sistemi.

Peki biz bu mekanizmayı biyosensör platformlarında nasıl kullanıyoruz? Bu aslında literatürde yaygın olarak kullanılan bir yaklaşım. Antikorlar yani bizim savunma sistemimizin ürettiği özel biyolojik moleküller biyosensörlerin yüzeyine tutturuluyor. Ondan sonra, hastalardan aldığımız herhangi bir vücut sıvısını alıp kolayca biyosensör üzerinde test edebiliyoruz, eğer aldığımız örnekte aradığımız antijen mevcutsa testteki antikorla etkileşime giriyor. Bu sıvılar kan olabilir, idrar olabilir, tükürük olabilir, hatta gözyaşı ve ter sensörleri var son yıllarda geliştirilen. Bu uygulamalar invaziv olmadığı için, yani can acıtmayan, zorlu prosedürler gerektirmediği için tercih ediliyor. Eğer o vücut sıvısında mesela Covid-19 örneğinde olduğu gibi virüs parçacıkları yani antijen varsa o antikora yapışıyor ve biz oradan anlamlı bir sinyal alıyoruz, ölçüyoruz. Covid için kullandığımız hızlı testler bu şekilde çalışıyor.

Başka bir örnek, kadın hastalıklarında özellikle son yıllarda HPV -İnsan Papilloma Virüsü (Human Papilloma Virus – HPV)- çok öne çıkmaya başladı.  HPV, eğer tedavi edilmezse, rahim kanserine yol açıyor. O yüzden son yıllarda HPV’ye yönelik bir sensör sistemi geliştirilmesi önem kazandı. Literatürde çok çalışma var hatta bunların artık klinik örneklerini de görüyoruz. Yani, nasıl Covid’te, antikor testini artık kendimiz alıp evde yapabiliyorsak, yine kadın hastalıklarında da evde yapılabilir testler gündemde.  Kadın hastalıklarında doktora gitmek istemeyen utanan, çekinen, sosyokültürel kısıtlamalara takılan insanlara ulaşabilen uygulamalar bunlar.

Bu tür yaklaşımlar ve metodolojiler çok uzun yıllardır kullanılıyor. Ortamda o hastalığı tanımlayan herhangi bir biyolojik molekül varsa- ki biz bunlara biyobelirteç diyoruz-  farklı ölçüm yöntemleriyle hastalık tespit edilebiliyor. Optik olanları var, elektriksel olanları var.  Bunlar biyobelirtecin varlığında bir sinyal üretiyor ve sonrasında diyebiliyorsunuz ki: ‘’Tamam, bu hastada bu hastalık vardır veya belirteçleri var. Bu sayede daha ileri tetkikler için hastayı laboratuvara ve hastaneye yönlendirebiliyorsunuz.

Hastanelerin, laboratuvarların, donanımın olmadığı yerlerde kırsalda veya gelişmemiş ülkelerde, çok basit hastalıklar takip edilmediği, teşhis edilmediği için hayatını kaybeden insanlar var. Bu, dünyanın genel bir sorunu haline gelmeye başladı. O yüzden de o insanın eğer doktora ya da hastaneye erişimi yoksa bu imkânları siz onlara taşıyorsunuz.

Laboratuvar ortamına ihtiyaç olmadan ufacık sensör sistemleriyle; ki bizler bunları mikroakışkan çipler olarak adlandırıyoruz, hastanın vücut sıvısından -kan örneği olabilir, tükürük olabilir, idrar olabilir- anında tahlil yapabiliyorsunuz. Risk grubu mu, değil mi, en azından onu belirleyip ileri adımları atabiliyorsunuz. Bunlar da tabii toplum sağlığı açısından çok güzel gelişmeler.

Ahu Arslan Yıldız
İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Biyomühendislik Bölümü (BAGEP 2021)

Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.