Yapay Organlar: Donörlerin ve Diyalizin Yerini Alacak Yenilikler

Bilim insanları, araştırma ve hastalık tedavileri için yapay organlar yaratmak amacıyla en son araçları ve teknikleri kullanıyor.

Yapay Organlar Nelerdir?

Bilim insanları, işlevsel, doğal olarak oluşan organların yerini almak, çoğaltmak veya büyütmek amacıyla insan vücuduna entegre edilecek yapay organlar tasarlar(1). Bunlar, organ bağışçısı kıtlığına çözüm oluşturur ve aynı zamanda tıbbi eğitim araçları olarak da kullanılabilir(2).

Araştırmacıların bunları üretmek için kullandıkları malzemelere göre yapay organlar üç ana sınıfa ayrılıyor. Mekanik yapay organlar yalnızca plastik ve metal gibi cansız polimerlerden yapılmıştır; biyomekanik organlar hem hücreler gibi canlı materyalleri hem de cansız materyalleri içerir; ve biyolojik veya biyoyapay organlar canlı hücrelerden ve biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerden yapılabilir(1).

Yapay Organlar Nasıl Yetiştirilir veya Üretilir?

Genel olarak organ üretimi, mimari ön tasarımı, malzeme ve araçların hazırlanmasını, hücre tohumlama veya entegrasyonunu ve doku olgunlaşmasını içerir. Ek olarak doku veya organ mühendisliği, doku yenilenmesi için şablon görevi görecek bir iskele gerektirir. Araştırmacılar, 3D baskı ve dokuyu hücresizleştirme gibi tekniklerle iskeleler üretiyorlar(1,3) Örneğin, bilim insanları, hücre dışı matrisi taklit eden doku iskeleleri üretmek için 3D baskıyı kullanabilirler. Hidrojeller oluşturabilir ve kök hücreler de dahil olmak üzere çeşitli hücre türlerini hücre çoğalması ve olgunlaşması için bir biyoreaktörde inkübe edilebilecek iskele üzerine tohumlayabilirler. Ek olarak araştırmacılar, iskele oluşturma ve tohumlama için biyomürekkep adı verilen hücre kapsüllü baskı mürekkeplerini kullanan 3 boyutlu biyobaskı yöntemlerini geliştiriyorlar. Bu yöntemler, baskı öncesinde polimerler ve büyüme faktörleri gibi diğer biyomateryallerin yanı sıra canlı hücreleri de içerir (1,2).

Hücresizleştirilmiş doku teknikleri kavramsal olarak benzer şekilde çalışır ancak biyolojik olarak üretilen iskeleye dayanır. Araştırmacılar, üretimin tasarım öncesi aşamasını atlıyor ve hücre dışı matrisi korurken hücreleri çıkarmak için tedavi ettikleri önceden var olan organ mimarilerini kullanıyor (1,4).

Yapay Organ Örnekleri ve Nasıl Çalıştıkları

Yapay duyu organları
Araştırmacılar uzun süredir doğal olarak meydana gelen duyusal işlev bozuklukları ve sinir sistemi yaralanmaları için tedavi stratejileri geliştirmeye çalışıyorlar. Örneğin otolog sinir nakli veya sinir grefti, altın standart rekonstrüksiyon tekniği olarak kabul edilmiştir. Ancak nakledilen sinir greftleri, yavaş bir biyolojik süreç olan sinir rejenerasyonu için iskele görevi görür. Sonuç olarak, sinir grefti sonrası fonksiyonel iyileşme, sinire bağlı organ fonksiyonunun değiştirilmesi veya onarılmasında yetersiz olabilir (5).

Yapay duyu organları, sinir yenilenmesine ihtiyaç duymadan beyne bilgi göndermenin protez bir yoludur. Bunlar kabaca ışık için görsel cihazlar, ses için işitsel cihazlar, tat ve tat için koku alma cihazları ve termal ağrı hissi gibi fiziksel uyarılar için dokunsal veya hissetme cihazları olarak sınıflandırılır. Tipik olarak optik veya işitsel sinirler gibi sinirleri elektriksel olarak uyararak çalışırlar. Bu tür cihazların son klinik ilerlemeleri yapay retinayı, implante edilebilir kemiğe monte işitme cihazı (BAHA) gibi koklear implantları ve tat ve koku sensörlerini içermektedir. Ek olarak araştırmacılar, beyin-bilgisayar arayüzü (BCI) bilimini temel alan yeni türde yapay sinirler geliştiriyorlar. Bu teknolojinin bir örneği, hastaların beyin ve kas aktivitesinden sentezlenen sinyallerle hasar görmüş omurilik fonksiyonunu telafi eden ve felçli kasları kontrol eden bir cihazdır(5,6).

Yapay böbrek ve yapay karaciğer
Böbrek ve karaciğer hastalıklarını tedavi etmek için birçok yapay filtreleme sistemi yinelemesi vardır. Ancak diyaliz makineleri ve diğer biyoyapay destekler gibi harici sistemler, hasta aktivitesini fiziksel olarak sınırlandırır, katı diyet ve ilaç rejimlerine bağlı kalmayı gerektirir ve yüksek klinik maliyetlere sahiptir (7,8)

Geleneksel olarak böbrek destek cihazları (RAD'ler), geleneksel bir hemofiltre ve bir biyoreaktörün kombinasyonuna dayanan ekstrakorporeal yapay sistemlerdir. Glomerüler filtrasyonu taklit ederler ve temel metabolik, endokrinolojik ve immünolojik böbrek fonksiyonlarını yönlendirirler. Yapay organ cihazları yaratan araştırmacılar, RAD'leri minyatürleştirme ve implante etme yöntemlerini klinik öncesi olarak araştırıyorlar. Bilim insanları, RAD'lara ek olarak domuz böbreklerinden, atılmış insan böbreklerinden veya kollajen, hyaluronik asit, aljinat, agaroz, kitosan, fibrin ve jelatin gibi polimerlerden biyoyapay böbrekler için böbrek iskeleleri geliştiriyor (7)

Benzer şekilde yapay karaciğerler, son dönem karaciğer yetmezliğinin tedavisinde organ donörü sıkıntısına bir çözüm ve vücut dışı yapay desteklere bir alternatif olabilir. Örneğin araştırmacılar, in vitro insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden (iPSC'ler) yapay "karaciğer tomurcukları" yaptılar ve karaciğer yetmezliği olan bir hayvan modelini başarılı bir şekilde kurtarmak için bunları naklettiler (8,9).
Yapay kalp
Bilim adamları ve klinisyenler kalp cerrahisi planlaması ve kişiye özel implantlar oluşturmak için 3D baskıyı kullanabilirler. Araştırmacılar ayrıca, hayvandan elde edilen biyomürekkepten veya hücresizleştirilmiş kalp dokusundan yapılmış kalbe özgü hücre dışı matrisler gibi, kalp dokusunun olgunlaşması için implant canlılığını artıran cihazlar da yarattılar (10). Ek olarak, kavram kanıtlama çalışmalarında araştırmacılar, aşağıdaki gibi kardiyak yapılar ürettiler: dallanmış koroner arterler ve hidrojelli embriyonik kalpler. Bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRI) verilerini kullanarak, mekanik olarak sağlam ve karmaşık 3 boyutlu anatomik kalp mimarileri oluşturmak için aljinat, kolajen ve fibrin gibi hidratlı materyalleri bastılar (11). 

Referanslar

1.     X. Wang, “Biyoyapay organ üretim teknolojileri,” Hücre Nakli, 28(1):5-17, 2019.
2.     A. Dine ve diğerleri, "Süper yumuşak kompozit hidrojeller için çift ağızlı 3D baskı sistemi", HardwareX, 9:e00176, 2021.
3.     X. Wang ve diğerleri, "Fonksiyonel bir karaciğer sistemi üretmek için kombine bir rotasyonel kalıp", J Bioact Compat Polym, 30(4):1-16, 2015.
4.     A. Gleadall ve diğerleri, "Katkı maddesiyle üretilmiş doku mühendisliği iskelelerinin incelenmesi: geometri ve performans arasındaki ilişki" Burns Trauma, 6:19, 2018.
5.     T. Nakamura ve diğerleri, "Yapay duyu organları: son gelişmeler", J Artif Organs, 21(1):17-22, 2018.
6.     T. Ifukube, “Yapay organlar: yapay işitme ve görmede son gelişmeler,” J Artif Organs, 12(1):8-10, 2009.
7.     PR Corridon ve diğerleri, "Biyoyapay böbrekler", Curr Stem Cell Rep, 3(2):68-76, 2017.
8.     R. Tandon, S. Froghi, "Yapay karaciğer destek sistemleri", J Gastroenterol Hepatol, 36(5):1164-79, 2021.
9.     T. Takebe ve diğerleri, "iPSC'den türetilmiş organ tomurcuğu naklinden vaskülarize ve fonksiyonel insan karaciğeri", Nature, 499(7459):481-84, 2013.
10.     V. Sedlakova ve diğerleri, "3D biyobaskılı kalp dokuları ve doku olgunlaşması için cihazlar", Cells Tissues Organs, 211(4):406-19, 2021.
11.     T.J. Hinton ve diğerleri, "Askıda hidrojellerin serbest biçimde tersinir şekilde yerleştirilmesiyle karmaşık biyolojik yapıların üç boyutlu basılması", Sci Adv, 1(9):e1500758, 2015. 

Orjinal makaleden çeviridir.