Organları Baştan Yaratmak: Doku Mühendisliğinden Organ Mühendisliğine Geçiş!

Yıl 1665, Robert Hook bilinen en küçük canlıları keşfedip onlara “cell” yani ‘hücre’ adını verdi. Yıl 1866, genetiğin babası olarak görülen Gregor Mendel bezelyelerde karakter kalıtımını keşfetti. Yıl 1953, Rosalind Franklin, James Watson ve Francis Crick DNA’nın üç boyutlu çift sarmal yapısını keşfettiler. Yıl 1983, Kary Mullis geliştirdiği PCR (polymerase chain reaction) tekniğiyle moleküler biyolojide yeni bir devir başlattı. Yıl 1996, bilim insanları Dolly adlı hayvanı klonlamayı başardıklarını açıkladılar. Yıl 2007, insan genom projesi başarıyla tamamlandı ve insanın bütün genetik haritası çıkarıldı. Bilim kurgu filmlerinde gördüklerimiz günden güne hayatımıza girmeye başladı ve bilimsel araştırmalar parabolik bir hızla artmaya devam ediyor. Yıl 2013, Londra Kraliyet Hastanesi’nde 30 kişilik bir ekip kök hücrelerden organ üretmeye başladıklarını duyurdu.

1996’da Kuzey Karolina’da bir laboratuvarda ilk idrar torbası üretildiği günden bu yana üretilen doku ve organların karmaşıklığı git gide artmakta. Şu ana kadar 5 hastaya soluk borusu nakli yapıldı. Araştırma ekibinden Alex Seifalian daha öncesinde hastalarına gözyaşı kanalı ve atardamar nakilleri yapmış bulunmakta.

Dr. Seifalian’a göre bir zaman gelecek bilim insanları artık koroner bypass ameliyatında olduğu gibi vücudun bir bölgesindeki damarı almak yerine gerekli ne varsa laboratuvarda üretecekler. Klinik tedavinin bir parçası olarak Dr. Seifalian önümüzdeki sene bu şekilde üretilen bir koroner atardamarı hastalarına nakletmeyi planlıyor. Londra College Üniversitesi laboratuvarlarında üretilecek organların ticari işleri ve hastalara nakilleri ile ilgilenmesi için bir kişiyi görevlendirdi bile.

Araştırmacılar şimdi en karmaşık organlardan biri olan canlı bir kalp yapmanın peşindeler. Araştırmanın finansal açıdan çok büyük kolaylıklar sağlaması bekleniyor çünkü dünyada çok sayıda kalp rahatsızlığı olan hasta var. Dünya Sağlık Örgütü’nün yaptığı araştırmaya göre dünyada ölüm nedenlerinin en başında %12.8’lik bir oranla kalp rahatsızlıkları yer alıyor. 2011 Haziran ayında yayınlanan araştırmaya göre bir yılda 7.25 milyon insan kalp hastalıklarından hayatını kaybediyor. Uzmanlar kalp ve damarlara bağlı rahatsızlıklarda kullanılabilecek organ ve dokular için milyar dolarlık pazarların oluşacağını öngörüyorlar.

Organ bağışında bulunan kişilerin azlığı ve organ nakline olan yoğun talep göz önüne alındığında laboratuvar yapımı doku ve organların önemi bir kez daha ortaya çıkıyor. Ayrıca sağlıklı insandan hastaya yapılan organ naklinde vücudun bu organı reddetmemesi için hasta hayatının geri kalanında birçok ilaç almak zorundaydı. Laboratuvar yapımı organlarda ise kullanılacak hücreler hastanın kendi hücreleri olacağından böyle bir uyumsuzluk yaşanmayacak.

1980’lerin sonlarına kadar laboratuvarda insan organları yapılabileceğine inanan sadece birkaç bilim insanı vardı çünkü hücreleri laboratuvar koşullarında büyütmek bu günkü kadar kolay değildi. Bilim insanları büyüme faktörleri olarak adlandırılan vücudun kendi hücrelerinin gelişimi için kullandığı kimyasalları keşfetmesiyle büyük bir engel ortadan kalkmış oldu.

Çok karmaşık yüksek yapılı organların üretilmesi günümüzde mümkün olmaya başladıysa da daha önceki yıllarda basit düşük yapılı organlar yapılabiliyordu. 1999 yılında Kuzey Karolina’da Wake Forest Rejeneratif Tıp Enstitüsü’nün yöneticisi olan Prof. Dr. Anthony Atala birkaç çocuğa idrar torbası nakli yapmıştı. Organlar düzgün bir şekilde büyümeye devam etti ve herhangi bir sorun yaşanmadı. Dr. Atala’nın ekibi şimdi kan damarlarından karaciğere kadar çok geniş bir yelpazede çok sayıda organı laboratuvar ortamında üretmeye çalışıyorlar. 

Dr. Seifalian nükleer fizikçi olarak başladığı kariyerinin ileriki yıllarında nükleer teknolojinin medikal uygulamalarıyla ilgilenmeye başladı ve bu ilgisi onu biyomühendislik alanına yönlendirdi. 2011 yılında Dr. Seifalian hastaların hücrelerini kullanarak bir soluk borusu yapmayı başardı ve soluk borusunu kanserli hücreler kaplayan bir hastayı tekrar sağlığına kavuşturdu.

Dr. Seifalian ve beraberindeki 30 araştırmacı şu an gırtlak, kulak, burun, idrar yolu ve safra kanallarını laboratuvarda üretmenin planlarını yapıyor. Laboratuvarlarında yapacağınız ufak bir gezide, içinde pembe bir sıvı bulunan bir kavanozu sürekli sallayan bir makineler görebilirsiniz. Bu kavanozlardan birinin içinde bir burun yüzmekte ve makinenin üzerine bir uyarı notu var:

Klinik kullanım için burun. Dokunmayın. Teşekkürler, Lola.

Kavanozdaki burun 53 yaşındaki bir adamın burnu örnek alınarak yapıldı. Özel olarak oluşturulan cam bir kalıp ve görüntü taramalarının yardımıyla araştırmacılar ilk defa orijinal bir burnun tam kopyasını oluşturabildiler. Burun hastaya nakledilmeden önce hastaya burun yapısında ufak değişiklikler yapılmasını isteyip istemediği soruldu ama Dr. Seifalian hastanın bunu reddettiğini söylüyor.

Bilim insanları yıllarca güçlü ve esnek olmasının yanı sıra vücudun da reddetmeyeceği bir malzeme bulmanın çabası içindeydiler. Sonunda bitki lifleri, reçine ve diğer maddelerinin karışımından oluşan bir malzeme buldular. Nanokarma adlı bu malzeme bakteri enfeksiyonlarına karşı dirençli ve hücrelere tutunmasını sağlayan porlara(gözenekcikler) sahiptir. Dr. Seifalian malzemenin farklı kuvvetler uygulandığında kolayca şekil değiştirebilmesi ve vücudun da bunu kabul etmesi gerektiğini belirtiyor. 

Araştırmacılar bu malzemeyi özel olarak tasarlanan kalıba döktüler ve üstüne tuz ile şeker eklediler. Tuz ve şeker malzemede ufak delikler açılmasını sağlıyor ve aynı gerçek burundaki gibi gözenekli bir yapı oluşturuyor. Laboratuvar yapımı tüm organların kaynağı vücutta bulunan kök hücrelerdir. Kök hücrelerin organ yapımında yapıtaşları olarak kullanılması onların çeşitli dokulara dönüşme yeteneklerinden kaynaklanıyor.

İnsan burnunu oluştururken belli bir prosedür izlendi. Önce hastanın yağ dokusundan alınan kök hücreler cam kalıba kondu ve gelişimi kontrol edecek bazı kimyasal maddeler eklendi. Kök hücreler büyümeye ve farklılaşmaya başladıkça ilk olarak kıkırdak doku oluştu. Burnun iskeletini tamamladıktan sonra şimdi sıra en üst tabakayı yani deriyi yapmaya geldi. Burun derisini yapmak başlı başına bir sorundu ve o zamana kadar kimse yoktan bir deri yapmamıştı. Dr. Seifalian’ın fikri hastanın kendi burun derisini kullanmaktı böylece herhangi bir uyumsuzluk gözlenmeyecekti ancak hasta tabi ki bunu reddetti. Bunun üzerine Dr. Seifalian hastanın ön kolundaki deriyi kullanmaya karar verdi.

Ekip şu an kan damarlarının, deri ve kıkırdağın düzgün gelişip gelişmediğini kontrol etmek için bir görüntüleme cihazı kullanıyor. Dr. Seifalian burun gelişimi sürerken enfeksiyon riskinin sıfır olduğundan emin olmamız gerektiğinin altını çiziyor.

Eğer deri nakli başarıyla sonuçlanırsa, cerrahlar artık koldan burun derisi elde edebilecek ve hastaya bunu güvenle nakledebilecekler. Bir sonraki aşamada Dr. Seifalian kök hücreleri epitel hücrelerine dönüştürmek için gerekli kimyasal kullanacak ve dönüşüm bittikten sonra bu epitel hücreler burna yerleştirilecek. Epitel hücreler burunda ve diğer organlarda bulundan çok yaygın hücre bir tipidir.

Son aşamada yüz ile burun arasında madde alışverişini sağlayacak kan damarlarını bağlamak kalıyor. Dr. Seifalian tüm aşamaların 6 ay sürebileceğini ve maliyetinin yaklaşık 40,000 doları bulabileceğini söylüyor ancak hasta bu ücretten hiçbir şekilde sorumlu tutulmayacak. Tüm masraflar hastane ve çeşitli kuruluşlar tarafından karşılanacak.

Dr. Seifalian yeni burnun hastanın koku alma duyusunu yenileyeceğini ama bu yararın şimdilik yüzeysel kalacağını belirtiyor ve laboratuvarda başka bir kavanozun içinde kulak olduğunun altını çizdikten sonra şunları söylüyor: 

Biz aslında yapay bir yüz oluşturmayı hedefliyoruz. Eğer olaya geniş bir açıdan bakarsanız deriyi, burnu ve kulağı yaptıktan sonra geriye çok fazla bir şey kalmadığını görürsünüz.

Laboratuvar yapımı bir burun oluşturmak ne kadar büyük bir başarıysa Dr. Aviles’in üzerinde çalıştığı kalp de bir o kadar önemli bir gelişme. Dr. Aviles öncesinde kardiyoloji eğitimi almış ancak kalp rahatsızlığı bulunan kişileri tedavi etmenin zorluklarını görünce bu alandan biraz uzak durmuştu. Elindeki tek seçeneği kalp nakilleri yapmaktı ancak nakli yapılacak çok az kalp vardı. İspanya dünyada en fazla kalp bağışının yapıldığı ülke olmasına rağmen hastaların ancak %10’u uygun bir kalp bulabiliyordu.

Minnesota Üniversitesi’nde laboratuvarda fare kalbi büyütme başarısıyla bilinen Prof. Dr. Doris Taylor Dr. Aviles’in çalışmalarını inceledikten sonra canlı bir insan kalbi geliştirme konusunda Dr. Aviles ile görüşmeye karar verir. Dr. Taylor insan kalp iskeletini kullanmak yerine işe fare kalbinden başlamayı tercih etmişti ve şimdi aynı tekniğin insan kalbi için de işe yarayacağını düşünmekte.

Laboratuvar koşullarında bir kalp yetiştirmek tabi ki bir soluk borusu yapmaktan çok daha zor çünkü kalp büyük, karmaşık bir organ ve içinde birçok farklı hücre tipini barındırıyor. Bahsettiğimiz hücrelerden bazıları kalbin atmasını yani kan pompalanmasını sağlarken, bazıları elektrik sinyallerini alıp yorumluyor. Yıllarca bilim insanları hücreleri doğru sıra ve yerde nasıl büyüteceklerini bilmiyorlardı. Dr. Taylor bu sorun için şöyle bir çözüm bulundu, eğer kök hücreleri halen gelişmekte olan bir kalp iskeletine konulursa, hücreler dışarıdan bir yönlendirme olmadan nereye yerleşeceklerini biliyorlar, bu sayede kalbin gelişimi kusursuz devam ediyor. Dr. Taylor şöyle söylüyor:

Tek yaptığımız hücreleri kalp iskeletinde herhangi bir yere koymaktı, nasıl organize olduklarına ben bile inanamadım.

Kalplerinin büyütüldüğü ortamda hücreler her zaman yeterli seviyede oksijen, besin ve organ gelişimi için gerekli kimyasalları alıyorlar. Farklılaşmakta olan hücreler çok hassas bir yapıya sahip. Örneğin, daha önce bahsettiğimiz büyüme faktörlerinden birindeki mikro litrelik bir düzensizlik her şeyi mahvedebilir. Tek bir hücrenin bile yanlış farklılaşması ileriki aşamalarda kalbin fonksiyonunu tamamıyla bozabilir. Araştırmacılar hücrelere giren ve çıkan maddeleri denetlemesi amacıyla 30 cm. çapında biyoreaktör adlı bir cihaz kullanıyorlar. Biyoreaktör belirlenen miktardaki maddeleri hücrelere sabit aralıklarda veriyor ve hücre atıklarını da aynı şekilde temizliyor.

Madde alış verişi sorununu çözdükten sonra bilim insanları bu sefer başka bir sorunla karşılaşıyorlar, hücresel bağlantılar yani hücreler arasındaki elektrik sinyalleri. Kalpteki elektriksel bağlantıları modellemek için araştırmacılar elektrik sinyallerini 70 noktadan alabilen bir yelek tasarladılar ve bu yelekleri giyerek insan kalbinin elektriksel faaliyetini taklit eden bir model oluşturdular.

Dr. Taylor ve ekibi beş yıl önce laboratuvarda fare kalbi yaptığında kalbin atış hızını ayarlayan kalp pilleri kullanmışlardı. Dr. Aviles de elektriksel faaliyetin kendiliğinden ortaya çıkamayacağı için kalp pillerini kullanacaklarını belirtiyor. Laboratuvar yapımı organların 5-6 yıl içinde hazır olması beklenirken öngörülen maliyet hastalar için çok yüksek görünüyor. Finansal sorunların aşılıp organların ileri teknoloji ve makul ücretlerde hastalara sunulmasının yaklaşık 10 yıl sürmesi bekleniyor.

Dr. Aviles ve ekibi kalp krizi sebebiyle oluşabilecek doku hasarlarında kullanılmak üzere kalp kapakçığı üretmeyi daha önceden başarmışlardı. Laboratuvarda bir kalp yapmak ne kadar zor görünse de Dr. Aviles ilk adımı atmış bulunmakta. Dr. Taylor şöyle diyor:

Biz fare kalbi üreterek laboratuvarda hiçbir şeyin imkânsız olmadığını gösterdik. Bu konu artık bilgi kurgu filmlerinden çıkıp bilim laboratuvarlarına geldi.