Content uploaded by Alp Yetisgin
Author content
All content in this area was uploaded by Alp Yetisgin on Jul 30, 2018
Content may be subject to copyright.
Content uploaded by Alp Yetisgin
Author content
All content in this area was uploaded by Alp Yetisgin on Jul 30, 2018
Content may be subject to copyright.
T.C.
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
KİMYA-METALÜRJİ FAKÜLTESİ
KÖK HÜCRE KADERİNİN BELİRLENMESİNDE
NANOMATERYALLERİN ETKİLERİ
A. ALP YETİŞGİN
14056037
BİTİRME TEZİ
BİYOMÜHENDİSLİK BÖLÜMÜ
DANIŞMAN
DOÇ. DR. RABİA ÇAKIR KOÇ
İSTANBUL, 2018
T.C.
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
KİMYA-METALÜRJİ FAKÜLTESİ
KÖK HÜCRE KADERİNİN BELİRLENMESİNDE
NANOMATERYALLERİN ETKİLERİ
Abuzer Alp YETİŞGİN tarafından hazırlanan bitirme tezi çalışması 07.06.2018 tarihinde
aşağıdaki jüri tarafından Yıldız Teknik Üniversitesi Kimya-Metalürji Fakültesi
Biyomühendislik Bölümü’nde BİTİRME TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Tez Danışmanı
Doç. Dr. Rabia ÇAKIR KOÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi
Jüri Üyeleri
Prof. Dr. İbrahim IŞILDAK
Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Rabia ÇAKIR KOÇ
İstanbul Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Ayhan BİLGÖLBALİ
Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________
Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Çalışması Orijinallik Raporu
Uygulama Esasları’nda belirtilen azami benzerlik oranlarına göre bu tez çalışmasının
herhangi bir intihal içermediğini; aksinin tespit edileceği muhtemel durumda doğabilecek
her türlü hukuki sorumluluğu kabul ettiğimi ve bu tezde verilen öğrenci bilgilerimin
doğru olduğunu beyan ederim.
1
A. Alp YETİŞGİN
…./…./20..
İmza
1
Bu metin “Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Savunulabilirlik ve Orjinallik Beyan Formu” esas
alınarak hazırlanmıştır.
ÖNSÖZ
Bu tez çalışmasında, tüm dünyada gelişen bir alan olan doku mühendisliğinin doku
iyileşmesinde kullandığı stratejilerinden bahsederek; bu stratejilere nanomateryallerin
uyarlanması sonucunda yapılan çalışmaları ve bu çalışmaların sonuçlarına
deyinmekteyim. Nanomateryaller günümüzde oldukça ivmeli olarak artan bir şekilde çok
fazla alanda uygulanmaya başlanmıştır. Hâl böyleyken, doku rejenerasyonunda
kullanılması da elbette bu çalışmaların engellenemez bir sonucudur. Bu çalışmamın
ilerleyen kısımlarında da bahsedeceğim gibi, her ne kadar nanomateryallerin bu alanda
kullanılmasının sayısız pozitif sonucu bulunmuş ve çalışmalarda bu sonuçlara ağırlık
verilmiş olsa da nanomateryallerin neden olabileceği negatif etkiler de görmezden
gelinmemelidir. Tabiki bir bilim insanı olarak, bu olası negatif sonuçların pozitif
sonuçlara dönüştürülmesine odaklanmalı ve her zaman mükemmele bir adım daha
yaklaşacak şekilde nanomateryaller ve doku rejenerasyonu stratejilerinin geliştirilmesini
amaçlamaktayım.
Bu tezimde bana danışmanlık yapan ve yönlendiren Doç.Dr. Rabia Çakır Koç hocama
teşekkür ederim. Ayrıca, başta hayatım boyunca bana her zaman rehberlik eden babam
Prof.Dr. Memet YETİŞGİN’e ve beni her zaman destekleyen aileme ve arkadaşlarıma
teşekkür ederim.
Mayıs, 2018
A. Alp YETİŞGİN
v
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ............................................................................................................................. iv
İÇİNDEKİLER ..................................................................................................................v
KISALTMA LİSTESİ ..................................................................................................... vii
ŞEKİL LİSTESİ................................................................................................................ vi
ÇİZELGE LİSTESİ ........................................................................................................ viii
ÖZET ................................................................................................................................ ix
ABSTRACT ...................................................................................................................... x
BÖLÜM 1 ......................................................................................................................... 1
GİRİŞ ................................................................................................................................ 1
Literatür Özeti ............................................................................................. 1
Tezin Amacı ................................................................................................ 1
Hipotez ........................................................................................................ 1
BÖLÜM 2 ......................................................................................................................... 2
DOKU MÜHENDİSLİĞİ VE NANOTEKNOLOJİ ........................................................ 2
2. ............................................................................................................................... 3
Doğal Ekstrasellüler Matris (ECM) ............................................................ 3
Doku Mühendisliğinde Kullanılan Biyosinyal Molekülleri ....................... 3
Doku Mühendisliğinde Kullanılan Biyomalzemeler .................................. 4
2.3.1 Biyomalzemelerden istenilen özellikler .............................................. 5
2.3.2 Sentetik Biyomalzemeler ..................................................................... 7
2.3.3 Doğal Polimerler ................................................................................. 8
2.3.4 Nanomateryaller ................................................................................ 10
Doku Mühendisliğinde Hücre Kaynakları ................................................ 14
2.4.1 Embriyonik Kök Hücreler (ESC) ...................................................... 15
2.4.2 Yetişkin Kök Hücreler ....................................................................... 16
2.4.3 İndüklenmiş Pluripotent Kök Hücreler ............................................. 17
vi
BÖLÜM 3 ....................................................................................................................... 19
KÖK HÜCRE KADERİNİN BELİRLENMESİNDE NANOMATERYALLERİN
ETKİLERİ ...................................................................................................................... 19
3. ............................................................................................................................. 20
Kök Hücre – Nanomateryal İskele Etkişimlerindeki Mekanizmalar ........ 20
3.1.1 Mekanotransdüksiyon Yolakları ....................................................... 20
3.1.2 Nanoyapılı İskelelerin Yüzey Karakteristikleri ................................. 22
Farklı Dokularda Kök Hücre-Nanomateryal Uygulamaları ..................... 23
3.2.1 Kemik Dokusu Rejenerasyonu .......................................................... 23
3.2.2 Kıkırdak Dokusu Rejenerasyonu ....................................................... 27
3.2.3 Sinir Dokusu Rejenerasyonu ............................................................. 29
3.2.4 Deri Dokusu Rejenerasyonu .............................................................. 33
3.2.5 Diğer Dokuların Rejenerasyonu ........................................................ 34
Nanomateryallerin Aşması Gereken Zorluklar ve Potansiyel Zararlı
Etkileri ................................................................................................................ 37
BÖLÜM 4 ....................................................................................................................... 40
SONUÇ VE ÖNERİLER ................................................................................................ 40
KAYNAKLAR ............................................................................................................... 42
vii
KISALTMA LİSTESİ
ACT
ADSC
AuNP
Otolog kondrosit transplantasyonu
Adipoz türevli kök hücresi
Altın nanopartikül
BMSC
BMP
CMC
CNT
CNS
CSC
EC
ECM
EGF
ESC
ERK
FAK
FDA
GO
hADMSC
HGF
hMSC
HSC
iPSC
Kol
MAPK
MBP
Kemik iliği türevli mezenkimal kök hücresi
Kemik morfojenik proteini
Karboksimetil selüloz
Karbon nanotüp
Merkezi sinir sistemi
Kardiyak kök hücresi
Embriyonal karsinoma
Ekstrasellüler matris
Epidermal büyüme faktörü
Embriyonik kök hücre
Ekstrasellüler sinyalle düzenlenen kinaz
Fokal adezyon kinaz
Gıda ve İlaç Kurumu
Grafen oksit
İnsan adipoz türevli mezenkimal kök hücresi
Hepatosit büyüme faktörü
İnsan mezenkimal kök hücresi
Hematopoietik kök hücre
İndüklenmiş pluripotent kök hücre
Kollajen
Mitojen aktif protein kinaz
Olgun oligodendrosit işaretleyici
MSC
nanoHA
NGO
NPC
NSC
PAA
PE
Mezenkimal kök hücreler
Nanohidroksiapatit
Nanoölçekli grafen oksit
Nöral progenitör hücre
Nöral kök hücre
Poliakrilamid
Polietilen
v
PEG
PCL
PDMS
PGA
PHBV
PLA
PLGA
PNS
PUA
PVA
PVC
QD
ROCK
SWCNT
TUJ1
Polietilen glikol
Polikaprolakton
Polidimetil siloksan
Poliglikolik asit
Poli(3-hidroksibütirat-ko-3-hidroksivarelat)
Polilaktik asit
Poli(laktik-ko-glikolik asit)
Periferik sinir sistemi
Poliüretan akrilat
Polivinil alkol
Polivinik klorid
Kuantum dot
Çift kıvrımlı protein kinaz
Tek duvarlı karbon nanotüp
Nöron işaretleyici (marker)
vi
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 2.1: Sentetik biyomalzemeler ve bunların bazı kullanımları (Ref.[6]) .................... 5
Şekil 2.2: İskele özellikleri. a) Yüzey özellikler. Yüzey topografisi hücrelerin
adezyonunu, proliferasyonunu, göçünü ve farklılaşmasını yönlendirebilmektedir. b)
Mekanik özellikler. Kök hücreler üzerinde büyüdükleri substratın mekanik özelliklerine
karşılık vermektedir, böylece kaderleri değişebilmektedir. c) Morfolojik özellikler. Kök
hücre-biyomalzeme etkileşimi için iskele morfolojileri ara-bağlantı, gözenek büyüklüğü
ve şekil bakımından farklılık gösterebilir. d) Elektriksel özellikler. Substratların
elektriksel özellikleri biyomalzeme-hücre etkileşimleri için önemli bir konudur. e)
Polimerik nanopartiküller. Biyobozunur polimerler temelli farklı akıllı nano-sistemler,
nanopartiküller ve nanokabuklar geliştirilebilir. Biyobozunur nano-sistemler,
biyoyararlılık, çözünürlük ve alıkonma süresini geliştirerek, suda
çözünebilen/çözünmeyen çeşitli biyoaktif moleküllerin terapötik değerinin
geliştirilmesine izin verir. (Ref. [5]) ................................................................................. 6
Şekil 2.3: Kök hücre büyümesinin ve farklılaşmasının seçici kontrolü için
nanomateryaller (Ref. [14]) ............................................................................................ 11
Şekil 2.4: Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp için kök hücrelerin izolasyonu ve
farklılaşması. Multipotent kök hücreler, kemik iliği, kan, kas ve yağ dokusu dahil, ancak
bunlarla sınırlı olmamak üzere, çeşitli insan dokularından doğrudan elde edilebilir.
Pluripotent kök hücreler, blastositin (embriyonik kök hücrelerin) iç hücre kütlesinden
türetilebilir veya daha önce spesifik faktörler (uyarılmış pluripotent kök hücreler)
kullanılarak pluripotent bir duruma ayrılan hücrelerin yeniden programlanmasıyla elde
edilebilir. Multipotent kök hücreler daha sonra birçok farklı hücre tipine ayrılabilir,
sadece birkaç tanesi burada gösterilmektedir. (Ref. [4]) ................................................ 15
Şekil 2.5: iPSC yeniden programlamaya karşı direkt hücre yeniden programlama.
Farklılaşma, yeniden programlama ve direkt dönüşüm sürecini gösteren şematik
diyagram. Hücre kaderini manipüle etmek için kullanılan yeniden programlama
faktörlerinin geleneksel uygulama şekilleri belirtilmiştir. Son çalışmalar, bu süreci
modüle etmede biyomalzemelerin oynadığı kritik rolü de çözmüştür. (Ref. [24]) ........ 18
Şekil 3.1: Kök hücrelerin ve nanomateryal iskelelerin etkileşiminde yer alan
mekanotransdüksiyon yolağının şematik diyagramı: integrinler ECM proteinlerine
(fibronektin veya vitronektin gibi) bağlandıktan sonra, integrin ligasyonu FAK
sinyallemesini aktive eder. Aktive edilmiş FAK, oto-fosforilasyona maruz kalır ve
hücre bilgisinin hücre çoğalmasına tepki gösterdiği hücre çekirdeğine aktarılması için
ERK/MAPK yolunun işlem sonrası (downstream) sinyalini tetikler ve böylece
hücrelerdeki çoğalma ve farklılaşma gibi değişiklikler üretilebilir. RhoA/ROCK yolu da
aktif FAK tarafından tetiklenebilir ve daha sonra kök hücreleri etkilemek için
ERK/MAPK yolunu aktive edebilir. (Ref. [19]) ............................................................. 21
Şekil 3.2: Kök hücre davranışlarının düzenlenmesinde biyomekanik etkilerin şematik
diyagramı. Mekanik gerilim, substrat sertliği, kesme gerilmesi ve topografi gibi
mekanik uyarılar farklı kombinasyonlar şeklinde kök hücre fenotiplerini etkiler. (Ref.
[25]) ................................................................................................................................ 23
Şekil 3.3: Nanomateryallerin biyomimetik avantajları. (A) Kemiğin nanoyapılı
hiyerarşik olarak kendiliğinden montajı. (B) Nanofaz titanyum (üst, atomik mikroskopi
görüntüsü) ve nanokristalin HA/HRN hidrojel iskele (alt, SEM görüntüsü). (C)
Nanomateryallerin kemik rejenerasyonu için geleneksel materyallerden üstün
vii
olabileceği mekanizmanın şematik gösterimi. Nanomateryallerin biyoaktif yüzeyleri,
daha fazla miktarda protein adsorpsiyonunu teşvik etmek ve geleneksel malzemelere
göre daha fazla yeni kemik oluşumunu etkili bir şekilde uyarmak için doğal
kemiklerinkileri taklit eder. (Ref. [30]) .......................................................................... 25
Şekil 3.4: Merkezi ve periferik sinir sistemlerinde yaralanmış sinir rejenerasyonunun
şematik gösterimi. (A) merkezi sinir sisteminin glial yara dokusu oluşumu ile kurtarma
işlemi ve (B) Schwann hücreleri, makrofajlar ve monositlerin aktivitesini içeren
periferik sinir sistemi kurtarma işlemi. (Ref. [30]) ......................................................... 30
Şekil 3.5: Kardiyak doku mühendisliği için nanobiyomateryallerin nanotopografisinin
şematik gösterimi. Poli(glisidil metakrilat) (pGMA) ile kaplanmış hizalanmış
polikaprolakton (PCL) nanofiberler hazırlanır ve fibronektinler pGMA-PCL
nanofiberler üzerine immobilize edilir. Nanofiberler üzerine ekilen MSC'ler, kalbin
doğal ekstrasellüler matrisinde bulunan hizalanmış hücresel fenotipler sergiler. Bir fare
kalp krizi modeline implante edilmiş MSCs ekilen fibronektin-immobilize hizalanmış
nanofibröz kalp yamaları daha iyi doku uyumluluğu gösterir ve kardiyak fonksiyonunu
önemli ölçüde geliştirir. (Ref. [60]) ................................................................................ 37
viii
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa
Tablo 2.1: Sentetik Polimerlerin Biyomedikal Uygulamaları (Ref. [10]) 8
Tablo 2.2: Doğal biyomateryaller iskeleler ve uygulamaları (Ref.[11]) 10
Tablo 2.3: Nanoyapılı biyomateryallerin farklı dokuların yenilenmesinde potansiyel
uygulamalarının bir özeti (Ref. [15]) 12
Tablo 2.4: Nanopartiküller ve bazı biyomedikal uygulamaları (Ref. [15]) 13
ix
ÖZET
KÖK HÜCRE KADERİNİN BELİRLENMESİNDE
NANOMATERYALLERİN ETKİLERİ
A. Alp YETİŞGİN
Biyomühendislik Bölümü
Bitirme Tezi
Tez Danışmanı: Doç. Dr. Rabia ÇAKIR KOÇ
Doku mühendisliği ve rejeneratif tıbbın amacı, hasarlı dokuların onarılması ve kaybedilen
dokuların fonksiyonlarının geri kazanılmasıdır. Her ne kadar, kaybedilen doku
fonksiyonlarının yerine implantların kullanılması ve organ transplantasyonları onlarca
yıldır yapılmaktadır. Ancak, doku mühendisliğinin Langer ve Vacanti [1] tarafından
“mühendislik ilkelerini ve yaşam bilimlerini, doku fonksiyonunu geri kazandıran,
koruyan veya geliştiren biyolojik ikamelerin geliştirilmesi üzerine uygulayan disiplinler
arası bir araştırma alanı.” şeklinde tanımlanmıştır ki bu hala oldukça yeni bir alandır.
Daha sonra ise kök hücrelerin spesifik soylara farklılaşmasını yönlendirmek için önemli
roller oynayan kök hücre nişleri üzerindeki işlevleri ve ekstrasellüler matrisin (ECM)
özellikleri hakkındaki bilgiler, araştırmaların sonuçlarından ortaya çıkmıştır. Buna, yine
doku mühendisliği gibi yeni bir bilim dalı olan, nanoteknolojinin ve kök hücre
araştırmalarının katılmasıyla birlikte yapılan çalışmalarla doku mühendisliği
uygulamalarının verimliliğini arttırabilecek oldukça umut verici yeni bir araştırma alanı
ortaya çıkmıştır. Bu alan, doku rejenerasyonu için kök hücrelerin kaderinin
belirlenmesinde nanoboyutlardaki biyomateryallerin kullanılmasını ve bunların zararlı
etkilerinin araştırılması üzerine yoğunlaşmaktadır.
Bu çalışmada, kök hücreler ile nanomateryal iskeleler arasındaki etkileşim
mekanizmaları, yaygın olarak nanomateryal iskelelerin kullanıldığı dokular, ayrıca
bunların nasıl sonuçlar ortaya çıkardığı ve nanomateryallerin kullanımını sınırlayıcı
etkenler incelenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Nanoteknoloji, doku mühendisliği, rejeneratif tıp, nanomateryal
iskeleler, kök hücre farklılaşması
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ KİMYA-METALÜRJİ FAKÜLTESİ
x
ABSTRACT
THE EFFECTS OF NANOMATERIALS IN DETERMINING STEM
CELL FATE
A. Alp YETISGIN
Department of Bioengineering
B.Eng. Graduation Thesis
Adviser: Assoc. Prof. Dr. Rabia CAKIR KOC
The purpose of tissue engineering and regenerative medicine is to repair damaged tissues
and recover the functions of lost tissues. Therefore, the use of implants in place of lost
tissue functions, and organ transplantation have been done for decades. However, tissue
engineering that has been described by Langer and Vacanti as "an interdisciplinary field
of research that applies engineering principles and life sciences to the development of
biological substitutes that restore, protect, or enhance tissue functions." which is still quite
a new field. Then the knowledge about the functions, and the properties of extracellular
matrix (ECM) on the stem cell niche that plays important roles for directing the
differentiation of stem cells to specific lineages was emerge from the results of
investigations. This has led to a very promising new field of research that can enhance
the efficiency of tissue engineering applications through studies carried out with the
participation of nanotechnology and stem cell research, which is a new field too, such as
the tissue engineering. This area focuses on the use of nanoscale biomaterials for the
determination of stem cell fate for tissue regeneration and the investigation of their
noxious effects.
In this study, the interaction mechanisms between stem cells and nanomaterial scaffolds,
the tissues in which nanomaterial scaffolds are commonly used, the results of these, and
the limitations of using nanomaterials have been examined.
Keywords: Nanotechnology, tissue engineering, regenerative medicine, nanomaterial
scaffolds, stem cell differentiation
YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY
FACULTY OF CHEMICAL AND METALLURGICAL ENGINEERING
1
BÖLÜM 1
GİRİŞ
Literatür Özeti
Nanomateryaller, bir veya birden fazla boyutu 1 – 100 nm arasında olan ve doku
mühendisliği uygulamaları için biyomalzemelerden üretilmektedir. Bu materyallerin
nanoboyutlardaki özelliklerinden dolayı kök hücrelerin yapışması, göçü, proliferasyonu
ve farklılaşması artmaktadır. Nanomateryal iskelelerin kullanıldığı medikal uygulamalar
göreceli olarak çok daha hızlı sonuç vermekte ve bu nedenle, bu iskelelere duyulan ilgi
her geçen gün artmaktadır.
Tezin Amacı
Nanoteknolojinin doku mühendisliği ve rejeneratif tıpta nasıl kullanıldığının araştırılması
ve bu uygulamaların potansiyel pozitif ve negatif yönlerinin incelenerek,
değerlendirilmesi amaçlanmaktadır
Hipotez
Sadece nanoboyutlardaki, nanopartiküller veya nanofiberler gibi, biyomalzemelerden
üretilen iskelelerin kullanılmasıyla in vivo olarak kök hücrelerin belli soylara
farklılaşması sağlanabilir.
2
BÖLÜM 2
DOKU MÜHENDİSLİĞİ VE NANOTEKNOLOJİ
Doku mühendisliği, 1993 yılında Robert Langer ve Joseph Vacanti tarafından
mühendislik ve yaşam bilimlerini, doku veya tüm organ işlevini geri kazandıran,
muhafaza eden veya geliştiren biyolojik oluşumların yerine geçebilecek yapıların
geliştirilmesine yönelik ilkeleri uygulayan “disiplinler arası bir alan” olarak
tanımlanmıştır [1]. Genel olarak şimdilerde bu tanıma rejeneratif tıp ve kök hücre temelli
tedavilerin de dahil edildiği görülmektedir [2]. Biyolojik dokular; hücrelerden,
ekstrasellüler matristen ve biyosinyal moleküllerinden oluşmaktadır. Bundan dolayı doku
mühendisliğinin temelini bu üç bileşen oluşturmaktadır. Tanımın bahsettiği üzere doku
mühendisliğinin amaçları olarak; i) var olan doku ve organların korunması, ii) farklı
patolojik nedenlerle kaybedilen doku işlevlerinin geri kazanılması, iii) bir doku iskelesi
kullanılarak hücrelerin ve biyosinyal moleküllerinin varlığında (ya da sadece doku
iskelesi ile) dokunun onarımı ve yeniden oluşturulması hedeflenmektedir.
Doku mühendisliğinden göreceli olarak daha eski bir alan olsa da hâlâ yeni olarak görülen
ve son 20 yıldır araştırmacıların özellikle ilgisini çeken Nanoteknoloji; 1959’da Nobel
ödüllü Richard Feynman’ın yeni ufuklar açacak bu Nanoteknoloji fikri, moleküler
makineler geliştirilmesini teklif etmesiyle ortaya çıkmıştır. Nanoteknolojinin merak
uyandırıcı tarafı, malzemeleri nanoboyutta birleştirerek malzeme özelliklerini kontrol
etme yeteneğinden gelmektedir [2]. Nanoteknolojinin bu ayarlanabilir malzeme
özellikleri, Norio Taniguchi'nin 1974'te "Nanoteknoloji" teriminin ilk defa bilimsel
yayınlarda kullanıldığı, makalesinde belirtilmiştir [3]. Son zamanlarda nanomateryaller
ki bunlar, en az bir boyutta 100 nm'den küçük temel yapısal birimler, taneler, parçacıklar,
lifler veya diğer yapısal bileşenler olarak hastalıkların önlenmesi, teşhis ve tedavilerin
geliştirilmesi için büyük ilgi uyandırmaktadır [2].
Günümüzde çok çeşitli doku mühendisliği uygulamalarında kullanılan malzemeler hala
iyileştirmeler gerektirmektedir. Doğal dokular veya organlar nanometre boyutunda
olduğundan ve hücreler nanoyapılı ekstrasellüler matrisler (ECM) ile doğrudan
etkileşime girdiğinden ve oluşturduğundan dolayı nanomateryaller, biyomimetik
özellikleri ve mükemmel fizikokimyasal özellikleri ile hücre büyümesinin uyarılmasında
ve doku rejenerasyonunun yönlendirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır [2]. Bundan
3
10 yıl öncesine kadar daha yeni doğmuş bir alan olsa da şimdilerde doku mühendisliği
uygulamaları için sayısız araştırmacı hücre (kök hücre, osteosit, kondrosit, vb.)
enkapsülasyonunun yapıldığı ve/veya biyosinyal moleküllerinin yüklendiği, hücresel
uyumluluğa sahip biyomimetik iskeleler üretmektedir [2].
2.
Doğal Ekstrasellüler Matris (ECM)
Doğal ECM, çevresindeki hücrelere yapısal ve biyokimyasal destek sağlayan,
proteinlerden oluşan karmaşık ve dinamik bir ağdır. Sadece pasif bir iskele görevi
yapmak yerine ECM, hücrelerin yapışmasını, hayatta kalmasını, proliferasyonunu,
göçünü, farklılaşmasını etkileyecek önemli mekanik, topolojik ve biyokimyasal ipuçları
sağlamaktadır. ECM’de en çok bulunan protein kollajen ki insan vücudunun toplam
proteininin yaklaşık %30’unu oluşturmaktadır. Fibronektin, laminin ve elastin gibi diğer
fibröz proteinler de belirli miktarlarda bulumakta ve dokunun yapısal ve mekanik
özelliklerini etkilemektedir. Fibröz proteinlerin yanı sıra ECM, glikoproteinler ve bağlı
veya hapsedilmiş büyüme faktörleri ile de doku özelliklerini etkilemektedir. Her bir
bileşen hücre davranışlarını belirli etkileşimler (bu etkileşimler sıklıkla hücre
membranındaki ligand-spesifik reseptörleri kullanır) yoluyla etkilemektedir [4].
Doku Mühendisliğinde Kullanılan Biyosinyal Molekülleri
Canlı vücudundaki dokular veya hücreler bulundukları ekstrasellüler matris (ECM) ile
sürekli bir etkileşim içerisindedir ve bu etkileşim “Dinamik Karşılıklı Modeli” ile
açıklanmaktadır. Bu modele göre; ECM içerisinde bulunan biyosinyal molekülleri,
biyoaktif faktörler, hücre yüzeyindeki reseptörler ile etkileşir. Bu reseptörler aldıkları
sinyalleri hücre membranı boyunca ileterek sitoplazmadaki moleküllere ve bu moleküller
ise sito-iskelet boyunca ilerleyerek sinyalleri çekirdeğe ulaştırır. Sinyaller, çekirdekte
belirli genlerin ekspresyonuyla sonuçlanan olaylar dizisini başlatır. Gen ekspresyonu
sonucu üretilen ürünler daha sonra ECM’yi çeşitli yollarla etkiler.
Doku mühendisliği ile yapılan yapıların optimizasyonu için biyoaktif faktörlerin
kullanılması önemlidir. ECM, doğal dokunun yapısal bileşenini sağlamasına rağmen,
aynı zamanda, hayatta kalma, çoğalma, göç ve farklılaşma gibi sinyaller ile hücre
davranışını direkt yönlendirebilen büyüme faktörleri ve sitokinler gibi çözünebilir
4
biyoaktif faktörleri de içerir. Büyüme faktörlerinin etkileri, ECM'nin yapısı ve
bileşiminin yanı sıra hedef hücrelerin kimliğine ve durumuna bağlıdır. Farklı hücre tipleri
aynı büyüme faktörüne karşı farklı tepkilere sahip olabilir ve bir veya daha fazla büyüme
faktörü aynı “downstream” etkileri indükleyebilir. ECM, büyüme faktörlerinin
aktivitesini çeşitli yollarla kontrol edebilmektedir. Büyüme faktörlerinin etkileri, aktif
formlarının konsantrasyonuna bağlıdır. Proteoglikanlar gibi ECM bileşenlerine
bağlanma, proteolitik bozunmaya karşı koruma sağlayarak ve böylelikle etkili
konsantrasyonları koruyarak büyüme faktörlerinin stabilitesini uzatabilir. Alternatif
olarak, büyüme faktörleri inaktif bir formda salgılanabilir ve ECM'de aktif hale gelmek
için bölünmeyi veya kofaktör bağlanmasını gerektirir [4].
Şimdiye kadar, çeşitli moleküller, kök hücrelerin kendi kendini yenilemesi, çoğalması ve
farklılaşması için moleküler mekanizmaları yöneten faktörler olarak tanımlanmıştır. Wnt
ligandının kök hücrelerin kendini yenilemesi ve ayrıca farklı hücre soylarına
farklılaşmasında rol oynadığı tespit edilmiştir. Örneğin, kemik iliği içindeki osteoblastlar
tarafından üretilen Wnt ligandı, hematopoietik kök hücrelerin (HSC’lerin) fonksiyonunun
ve pasifliğinin korunmasının yanı sıra osteoblastların büyümesi ve farklılaşması üzerinde
de birçok rol oynamaktadır. Ayrıca, kabul edilmiş Wnt sinyali memelilerin nöral
gelişiminin önemli bir düzenleyicisidir. Notch sinyali ise yetişkin kök hücrelerin kendi
kendini yenilemesinin düzenlenmesi ve belirli bir soy boyunca progenitör hücrelerin
farklılaşmasında rol oynamaktadır [5].
Doku Mühendisliğinde Kullanılan Biyomalzemeler
Doku mühendisliğinde biyomalzemeler, hücrelerin üzerinde dokuları inşa edebileceği bir
iskele görevi görmektedirler. Biyomalzemelerin tanımı yakın zamanda tekrar gözden
geçirilmiş ve şimdilerde biyolojik sistemlerle etkileşime giren doğal ve sentetik
materyalleri kapsayacak biçimde yorumlanmıştır. Biyomalzemelerin tıpta kullanımları
yüzyıllardır devam etmektedir; tahtadan yapılan dental implantlar ve camdan yapılan
kontak lensler, biyomalzemelerin ilk yaygın uygulamalarından bazılarıdır. Çünkü ilk
implantların vücutta uzun süre kalması isteniyordu ve vücudun yabancı etkenlere karşı
vereceği tepkiler hakkında çok az bilgi vardı.
5
Şekil 2.1: Sentetik biyomalzemeler ve bunların bazı kullanımları (Ref.[6])
2.3.1 Biyomalzemelerden istenilen özellikler
Doku iskelesinin, üretilecek dokuyu çevreleyen ekstrasellüler matris ile yüksek
benzerliğe sahip olmalıdır. Bunun yapılabilmesi için ise öncelikle doğal ECM’nin yapısı
ve özelliklerinin kapsamlı bir şekilde araştırılması gerekmektedir.
Bir biyomalzemenin sahip olması gereken en önemli özellik biyouyumlu olmasıdır.
Biyouyumlu bir materyal çevresinde bulunan hücre ve dokulara zarar vermez, herhangi
bir enflamasyon etki oluşturmaz, hücrelerin normal gelişimi ve farklılaşmasını
engellemez, kansere veya alerjik tepkilere neden olmayacak bir yapıya sahip olmalıdır
[7]. Malzemenin biyouyumluluğu yapısal ve yüzeysel uyumluluk olarak iki farklı özellik
olarak ifade edilebilmektedir. Yüzey uyumluğu, biyomalzemenin doku ile fiziksel ve
kimyasal olarak uygun olması; yapısal uyumluluk ise biyomalzemenin iskele veya
implant olarak implante edileceği vücut bölgesinin mekanik davranışlarına
sağlayabileceği optimum uygunluktur [6]. 1940’lardaki ilk biyouyumluluk çalışmaları
kimyasal olarak en az reaktif materyallerin belirlenmesine odaklanmıştır. Bununla
birlikte, bu, biyomalzemenin doğrudan konak doku ile etkileşime girmesinin yanı sıra
zamanla bozunması durumlarının istenildiği uygulamaların geliştirilmesi ile değişmiştir.
Böylelikle, biyouyumluluğun tanımı, cevabı sınırlamaktan ziyade “uygun bir konak doku
yanıtına” neden olan materyallere odaklanmıştır. Günümüzde biyouyumluluğa ek olarak,
doku mühendisliğinde kullanılan biyomateryaller oldukça gelişmiş ve birkaç kriteri
karşılayacak şekilde tasarlanmaktadır. İlk olarak, doku in vivo olarak normal fiziksel
6
işlevlerini yerine getirirken buna dayanabilecek mekanik kuvveti sağlaması
gerekmektedir. İkinci olarak, hücrelerin bağlanması için uygun bir yüzey ve gerekli
topografik bilgileri sağlamalıdır. Son olarak ise, ideal olarak belirli uygulamalar için
uygun zaman aralığında bozunacak şekilde tasarlanmalıdır [4].
Ayrıca söz konusu implantın veya doku iskelesinin sterilize edilebilir olması,
üretilebilirliği, muhafaza edilebilme süresi ve muhafaza koşulları da göz önünde
bulundurulmalıdır [8].
Şekil 2.2: İskele özellikleri. a) Yüzey özellikler. Yüzey topografisi hücrelerin
adezyonunu, proliferasyonunu, göçünü ve farklılaşmasını yönlendirebilmektedir. b)
Mekanik özellikler. Kök hücreler üzerinde büyüdükleri substratın mekanik özelliklerine
karşılık vermektedir, böylece kaderleri değişebilmektedir. c) Morfolojik özellikler. Kök
hücre-biyomalzeme etkileşimi için iskele morfolojileri ara-bağlantı, gözenek büyüklüğü
ve şekil bakımından farklılık gösterebilir. d) Elektriksel özellikler. Substratların
7
elektriksel özellikleri biyomalzeme-hücre etkileşimleri için önemli bir konudur. e)
Polimerik nanopartiküller. Biyobozunur polimerler temelli farklı akıllı nano-sistemler,
nanopartiküller ve nanokabuklar geliştirilebilir. Biyobozunur nano-sistemler,
biyoyararlılık, çözünürlük ve alıkonma süresini geliştirerek, suda
çözünebilen/çözünmeyen çeşitli biyoaktif moleküllerin terapötik değerinin
geliştirilmesine izin verir. (Ref. [5])
2.3.2 Sentetik Biyomalzemeler
Doku mühendisliğinde implante edilebilir biyomalzemeler olarak metaller,
biyoseramikler, polimerler veya polimer ve seramik karışımı olan biyokompozit
malzemeler kullanılmaktadır. Ancak hücre ve biyosinyal moleküllerinin kolay
enkapsülasyonu ve biyobozunurluk özellikleri nedeniyle polimerler ve biyokompozit
malzemeler sıklıkla tercih edilmektedir.
Sentetik polimerler doğal polimerlere göre doku mühendisliği uygulamaları için çok daha
avantajlıdır. Çünkü sentetik polimerler, belirli prosesler ile üretilir ve biyouyumluluğunu
arttırmak için ayarlanabilir mekanik ve kimyasal özelliklere sahiptirler. Ancak, doğal
biyomalzeme ise, ekstrasellüler matris (ECM), hali hazırda sıklıkla doku-spesifik biçimde
hücresel bağlanmayı ve doku büyümesini destekleyecek optimum özelliklere sahiptir [4].
Polimer iskeleleri; hücrelerin, biyobozunur sentetik malzemenin yerini almak üzere kendi
matrislerini yeterince sentezleyene kadar geçici yapısal destek sağlayan hücre nakli için
taşıyıcı ve doku için kalıp olarak tasarlanmıştır. Bununla birlikte, biyomateryaller
alanındaki ilerlemeler, çeşitli şekillerde (örneğin; gözenekli, fibröz), çevresel
değişikliklere (örneğin sıcaklık, pH, elektriksel uyarım, proteazlar) cevap verebilen ve
doğrudan biyomoleküler ipuçlarını içeren daha karmaşık yapı iskelelerinin
geliştirilmesine yol açmıştır. Hücre ekimine, çoğalmasına ve farklılaşmasına aracılık
etmektedir. Son zamanlarda, pluripotent ve multipotent kök hücreler, üç boyutlu olarak
kendini yenileme ve farklılaşma özelliklerini incelemek üzere polimer iskelelere
ekilmiştir [9]. Biyomalzeme olarak kullanılabilen sentetik polimerler; polivinilklorid
(PVC), polietilen (PE), polipropilen, polimetilakrilamit, polistiren ve kopolimerleri,
poliesterler, poliamidler (naylonlar), florokarbon polimerler, kauçuk, poliüretanlar,
poliasetal, polisülfon [10]. Bu polimerlerin hiçbiri vücutta doğal olarak bozunmaz, bu
nedenle de genellikle in vitro araştırmalarda ve doku ortamının modellenmesinde veya
implant veya nanopartikül yüzeylerin kaplamasında kullanılmaktadır. Öte yandan
polilaktik asit (PLA), poliglikolik asit (PGA), polilaktik-glikolik asit (PLGA) ve
8
polikaprolaktan (PCL) biyobozunurdur ve bozunum ürünleri vücutta toksik etki
oluşturmaz.
Tablo 2.1: Sentetik Polimerlerin Biyomedikal Uygulamaları (Ref. [10])
Sentetik Polimer
Uygulamaları
Polivinilklorid (PVC)
Kan ve çözelti çantaları, IV setleri, cerrahi
paketlemeler, diyaliz cihazları, kateter şişeleri,
bağlayıcılar ve kanüller
Polietilen (PE)
İlaç şişeleri, örülmemiş kumaş, kateter, kese, esnek
kap ve ortopedik implantlar
Polipropilen (PP)
Tek kullanımlık şırıngalar, kan oksijenatör membranı,
ameliyat ipliği, örülmemiş kumaş ve yapay damar
greftleri
Polimetilakrilamit (PMMA)
Kan pompası ve rezervuarı, kan diyazörü için
membranı, implante edilebilir oküler lensler ve kemik
dolgu maddesi
Polistiren (PS)
Doku kültürü şişeleri, silindir şişeleri ve filtreler
Polietilenteraftalat (PET)
İmplante edilebilir ameliyat iplikleri, ağlar, yapay
damar greftleri ve kalp kapakcığı
Politetrafloroetilen (PTFE)
Kateter ve yapay damar greftleri
Poliüretan (PU)
Film, tüp ve bileşenleri
Poliamid (Naylon)
Paketleme filmleri, kateterler, ameliyat iplikleri ve
kalıp parçaları
2.3.3 Doğal Polimerler
Doğal biyomateryaller, ilk olarak canlı sistemlerde tanımlanan ve daha sonra
saflaştırılmış veya ex vivo zenginleştirilmiş olanlardır. Örnek olarak kollajen, aljinat,
elastin, ipek, hiyalüronan, kitosan ve fibronektin verilebilir. Doğal biyomateryaller niş
için doğal olduğundan, aslen biyoaktif özelliktedir. Hücreler, matris metalloproteinazları
gibi enzimleri salgılayarak bunları modifiye edebilir ve yeniden düzenleyebilir. Ek
olarak, doğal kökeni genellikle bu malzemelerin hücresel yapışma için alanlar içerdiği ve
biyouyumlu olma eğiliminde olduğu anlamına gelmektedir [11]. Genel olarak, doğal
biyomateryallerin üretimi, üretim büyütüldüğü zaman pahalı olmaktadır. Diğer taraftan
sentetik polimerlerin üretimi düşük maliyetli, üretim büyüklüğü kolaylıkla arttırılabilir ve
9
arzu edilen gözenekliliğe, mekanik özelliklere ve bozunum profiline ulaşmak için
ayarlanabilmektedir [12].
Proteinlerin ana işlevlerinden biri, dokulara yapısal destek sağlamaktır; bu özellikten
dolayı protein-bazlı biyomateryallerin kök hücre farklılaşması ve transplantasyonunu
içeren doku mühendisliği uygulamalarında kullanımı önerilmiştir. İstenilen doku
iskelesinin fabrikasyonu ve hayvansal kaynağa göre proteinler için farklı saflaştırma
metotları bulunmaktadır. En çok kullanılan iskele materyali, kollajen, genellikle
hayvansal orijinli deri, tendon, kemik gibi çeşitli dokulardan izole edilebilmektedir. İn
vivo fibrin, (fibrinojenden türetilmektedir) damarlardaki yaralanmalardan sonra yara
bölgesinde kan pıhtısı oluşturmaktadır. Bu görevinden ve fibrinojeni kandan (insanda ve
hayvanda) izole edebilme yeteneğinden dolayı, klinik çalışmalarda dolgu macunu ve
biyomateryal iskeleler olarak kullanılmaktadır. Doku mühendisliğinde iskele olarak
kullanılmak üzere incelenen bir başka protein olan ipek, böceklerden ve solucanlardan
salgılanmaktadır. İpek ve ipek fibroinden yapılan iskeleler yavaş biyobozunma hızına ve
istenilen mekanik özelliklere sahiptir, böylelikle kollajen ve fibrine alternatif
sağlamaktadır. İpek ayrıca kimyasal olarak değiştirilerek iskele özellikleri daha da
arttırılabilir [11].
Proteinlere ek olarak, şeker monomerlerinden oluşan polisakkaritler de ekstrasellüler
matrisin (ECM) yapısının korunmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu materyaller kök
hücre transplantasyonu için potansiyel birer iskele materyali olarak kullanılmak üzere
incelenmişlerdir. Polisakkaritler genellikle dallı yapıdadır ve hayvansal veya bitkisel
kaynaklardan elde edilebilmektedirler. Polisakkarit kaynağı veya izolasyon metoduna
bağlı olarak bir bağışıklık cevabını tetikleyebilir ki bu potansiyel iskele materyali
seçiminde düşünülmesi gereken konulardan biridir. Yapı ve monomer kompozisyonu,
belirli polisakkaritlerin özelliklerine katkıda bulunmaktadır. Bu gibi materyallerden
üretilen iskeleler sıklıkla, hızlıca jelleşecek şekilde formüle edilerek yara bölgesine
enjeksiyonuna olanak vermektedir [11]. Polisakkarit-bazlı biyomateryallere örnek olarak;
kitosan, hyalüronan, agaroz ve aljinat verilebilir.
10
Tablo 2.2: Doğal biyomateryaller iskeleler ve uygulamaları (Ref.[11])
Biyomateryalin Türü
Uygulamaları
Protein-bazlı
biyomalzemeler
Kollajen
Kemik, kıkırdak, kalp, sinir,
damar, bağ doku
Fibrin
Kıkırdak, sinir, damar
İpek
Kemik, kıkırdak, karaciğer
Polisakkarit-bazlı
biyomalzemeler
Agaroz
Kıkırdak, kalp, sinir
Aljinat
Kıkırdak, karaciğer, sinir,
damar
Hyalüronan
Adipoz, sinir, kıkırdak, deri,
damar
Kitosan
Kemik, kıkırdak, sinir, deri
2.3.4 Nanomateryaller
Malzeme bilimi ve Nanoteknoloji arasındaki arayüzde, nanomateryaller artık hücre
mühendisliği ve terapisi için çok yönlü bir alet kutusu oluşturmaktadır. Nanomateryaller,
hücre mühendisliği görevini yerine getirmek için birkaç benzersiz özelliğe sahip olan ve
nanometre ölçeğinde boyutlara sahip malzemeler olarak tanımlanabilir. İlk olarak
nanomateryallerin hücre altı ölçeği, hücreler ile moleküler kararlılıkta etkileşimleri
sağlayarak üstün sito-uyumluluk ve biyoaktiviteye neden olmaktadır. İkinci olarak,
nanomateryaller makro- ve mikro- boyutlardaki halleriyle karşılaştırıldığında benzersiz
mekanik, optik, elektriksel ve manyetik özellikler göstererek hücre işlevlerinin daha üstün
ve daha çeşitli şekillerde kontrol edilebilirliğini sağlamaktadır. Dahası, nanomateryaller
doğal dokulardaki ekstrasellüler matrisin, enerji ve topografi gibi yüzey özelliklerini
taklit edilebilmektedir. Nanomateryallerin rejeneratif tıptaki ana uygulamalarına hücre
büyümesi için iskeleler, biyomoleküller için taşıyıcı araçlar ve biyo-algılama için
kullanılan nanocihazlar dahildir [13].
Geçtiğimiz on yılda, boyutsal olarak farklı nanomateryaller aktif olarak araştırılmış ve
kök hücre kontrolü için ilgi çekici platformlar olarak görülmüşlerdir. Sıfır boyutlu (0D)
11
nanopartiküller ve tek boyutlu (1D) nanotüpler, in vivo doğal kök hücre nişine benzer
mikroçevreler oluşturmak için farklı yüzey topografilerini motiflemek üzere yaygın
olarak kullanılmaktadır. Kök hücre kontrolü için nanomateryallerin uygulamalarındaki
son gelişmeler, kök hücre büyümesini, çoğalmasını ve farklılaşmasını yönlendirmek için
iki (2D) ve üç boyutlu (3D) nanomateryallerin kullanılmasında benzersiz bir artış
olduğunu da göstermiştir [14].
Şekil 2.3: Kök hücre büyümesinin ve farklılaşmasının seçici kontrolü için
nanomateryaller (Ref. [14])
Rejeneratif tıpta nanopartikül araştırmaları, genetik malzeme, büyüme ve farklılaşma
faktörleri gibi biyomoleküller ve kemik morfojenik proteinleri ve ayrıca polimerik
matrislerin 3 boyutlu doku mühendisliğinde kullanılacak iskeleleri için güçlendirici veya
biyoaktivite geliştirme fazı olarak da hapsetme ve taşınım sistemlerinin geliştirilmesine
yöneliktir. Nanoboyuttaki taşıyıcılar, moleküllerin hücre içine verilmesini ve kan-beyin
bariyeri, sıkı bağlantılar ve kılcal damarlar gibi normal olarak erişilemeyen hedeflere
ulaşma imkanını sağlarken, biyomolekül dozajı ve verilme periyodu üzerindeki kontrolü
arttırmaktadır. En büyük meydan okuma, hücreleri virüslerin sahip olduğu verim ve
özgüllük ile hedefleyebilen yapay nano-taşıyıcılar geliştirebilmektir [15].
12
Tablo 2.3: Nanoyapılı biyomateryallerin farklı dokuların yenilenmesinde potansiyel
uygulamalarının bir özeti (Ref. [15])
Uygulama
Materyal
Sonuçlar
Kemik
Nanofazlı TiO3, Al2O3
Osteoblast adezyonu; uzun süreli
osteoblast fonksiyonları geliştirilmiştir,
osteoklast aktivitesi daha büyüktür
(konvansiyonel materyal ile
karşılaştırılması)
Nanofaz apatitle kaplı
titanyum
Kemik büyümesinin ve
appozisyonunun (in vivo) yükselmesi
ve insan osteoblast davranışına etkisi
Nanofaz apatitle kaplı
titanyum
Geleneksel apatit ve kaplanmamış
materyaller (in vivo)
karşılaştırıldığında kemik oluşumunda
artış
Nanofaz Ti, Ti6Al4V ve
CoCrMo alaşımı
Osteoblast adezyonunda artış
Kalıp döküm ile nanoyapılı
poli(laktit-ko-glikolid)
(PLGA)
Osteoblast adezyonunda artış;
fibroblast adezyonunda azalma
Nanokristal organoapatit
kaplı Ti ağı
Hızlandırılmış göç ve osteojenik
hücrelerin daha iyi proliferasyonu
Kıkırdak
Kimyasal aşındırma ile
Nanoyapılı PLGA
Geleneksel malzemelerden daha iyi
kondrosit fonksiyonları
Anodizasyonla üretilen
Nanoporöz Ti
Daha iyi kondrosit adezyonu ve göçü
Damarlar
Kimyasal aşındırma ile
Nanoyapılı PLGA
İşlenmemiş PLGA ile
karşılaştırıldığında artmış endotel ve
düz kas hücre yoğunlukları
Mesane
Kimyasal aşındırma ile
Nanoyapılı PLGA, poli-
eter-üretan ve poli-
kaprolakton
Geleneksel materyallerle
karşılaştırıldığında mesane düz kas
hücrelerinin daha büyük yapışma ve
proliferasyonu
Sinirler
Replica kalıplama ile
Nano-desenli poli
(dimetilsiloksan)
Yetişkin mezenkimal kök hücrelerin
nöronal soya farklılaşmasına neden
olur.
13
Nanomateryallerin eşsiz gruplarından, 0D ve 1D nanomateryaller nanoboyutta en az iki
boyuta sahiptir. Şekil, boyut ve yüzey alanı/hacim oranlarına bağlı olarak, bu
nanomateryaller, filmlere veya yığın materyallere kıyasla farklı fizikokimyasal özellikler
sergiler. 0D nanopartiküller, doğal ECM'leri taklit etmek ve hücre-ECM etkileşimlerinin
incelenmesi için hücresel bağlanmayı arttırmak üzere çeşitli motiflerden oluşan
topografilerin mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır [14]. Buna ek olarak,
nanopartiküller, protein hedeflemesi ve bağlanmasında yoğun bir şekilde
kullanılmaktadır, çünkü nanopartiküllerin yüzey yükü ve hidrofobikliği hassas bir şekilde
kontrol edilebilmekte, bu da biyolojik sıvılardaki nanopartiküller ve proteinler arasındaki
spesifik bağlanmalara neden olmaktadır. Bu nanopartikül-protein etkileşimlerinin
düzenlenmesiyle mesela; kök hücrelerin kontrolü, bazı proteinlerin nanopartikül
yüzeyine adsorpsiyonu ve sonrasında kültür ortamında kontrollü olarak salınımıyla
ulaşılabilir [14],[16].
Tablo 2.4: Nanopartiküller ve bazı biyomedikal uygulamaları (Ref. [15])
Nanopartiküller
Uygulamaları
Titanyum nanopartiküller
Doku mühendisliği iskeleleri için kompozit
malzemelerde güçlendirici faz olarak
Kuantum Dotlar (QD)
Amplifikatörler, işaretleyiciler, biyoreaktörler
ve doku mühendisliği için biyolojik sensörler
Hidroksiapatit nanopartiküller
Doku mühendisliğinde, biyomolekül taşıyıcılar
için kompozit malzemelerde güçlendirici faz
Biyobozunur polimer
nanopartiküller
Doku mühendisliği için hedefe yönelik taşıyıcı
sistemler, immünoterapi
Uyarana duyarlı polimerik
nanopartiküller
Biyomolekül taşıyıcılar, doku mühendisliği
Son 10 yılda, 1D nanomateryallere olan ilgi geniş kullanım alanlarından dolayı oldukça
artmıştır. 1D nanomateryaller, nanoboyuttaki fazla miktarda yeni olayların ölçeğe ve
boyuta bağlı işlevsel özelliklerinin incelenmesinde ideal sistemler olarak, sıklıkla, kabul
edilmektedir [17]. Kök hücre kontrolü için kullanılan tüm nanomateryallerden, 1D karbon
nanotüpler (CNTs) ve 2D grafen nanolevhalar gibi karbon bazlı nanomateryaller,
keşiflerinden beri tartışmasız en popüler olanlardır. Aslında, CNT'ler, bu nanotüplerin
14
kullanılacakları yapıların sertliğini, gerilme mukavemetini ve elektriksel iletkenliğini
modüle edebildiklerinden, hibrid biyomateryallerin bir bileşeni olarak aktif olarak
kullanılmaktadır [14].
Doku Mühendisliğinde Hücre Kaynakları
Rejeneratif tıp ve doku mühendisliği yaklaşımlarında genellikle bağışıklık sistemi
baskılayıcıların kullanımına ihtiyaç duymayan otolog, hastanın kendisinin donör olduğu,
hücrelerin veya immün cevaba neden olmayacak hücrelerin kullanılmasına
odaklanmıştır. Ancak, nöronlar ve kardiyak hücreler gibi terminal farklılaşmış hücreler
1
tipik olarak çoğalma yeteneklerince sınırlanmaktadır ve bu nedenle de doku
rejenerasyonu için gerekli sayıda hücreyi elde etmek oldukça zordur [18], [19]. Ek olarak
iyileştirilecek veya değiştirilecek dokulardaki hücrelerin yapısal tamire ihtiyaç duyan
istenmeyen kusurları bulunabilmektedir. Farklılaşmış hücrelerin kullanılmasındaki bu
sınırlı potansiyel nedeniyle, doku mühendisliği ve rejeneratif tıp alanlarında kök ya da
progenitör hücrelerin kullanımına neredeyse her yerde karşılaşılabilmektedir. Kök
hücreleri tanımlayan karakteristikler; kendi kendini yenileyebilme, uzun süre
proliferasyon yeteneği ve birkaç farklı hücre tipine farklılaşabilme yeteneğidir. Bu
özellikler kök hücreleri doku mühendisliği ve rejeneratif tıp için ideal hücre kaynağı
yapmaktadır [4]. Kök hücrelerin gelişim aşamasındaki rolü göz önüne alındığında ise
insanların acılarını ortadan kaldırmak için rejeneratif tıbbın muazzam potansiyelini de
ortaya çıkaracak şekilde “gençlik çeşmesi” olarak lanse edilmiştir [20]. Memelilerde iki
genel kök hücre türü vardır: embriyonik kök hücreler (ESC'ler) ve yetişkin kök hücreler
[19].
1
Belirli bir işleve kendini yeterince adayarak artık daha fazla bölünemeyen hücreler, ör; kırmızı kan
hücreleri
15
Şekil 2.4: Doku mühendisliği ve rejeneratif tıp için kök hücrelerin izolasyonu ve
farklılaşması. Multipotent kök hücreler, kemik iliği, kan, kas ve yağ dokusu dahil, ancak
bunlarla sınırlı olmamak üzere, çeşitli insan dokularından doğrudan elde edilebilir.
Pluripotent kök hücreler, blastositin (embriyonik kök hücrelerin) iç hücre kütlesinden
türetilebilir veya daha önce spesifik faktörler (uyarılmış pluripotent kök hücreler)
kullanılarak pluripotent bir duruma ayrılan hücrelerin yeniden programlanmasıyla elde
edilebilir. Multipotent kök hücreler daha sonra birçok farklı hücre tipine ayrılabilir,
sadece birkaç tanesi burada gösterilmektedir. (Ref. [4])
2.4.1 Embriyonik Kök Hücreler (ESC)
Embriyonik kök hücreler (ESC'ler) implantasyondan önce gelişen embriyodaki
blastositlerin iç hücre kütlesinden elde edilmektedir. Bu hücreler pluripotenttir, yani, her
üç germ tabakasını (mezoderm, ekdoderm, ekzoderm) içeren hücrelere farklılaşma
yeteneğine sahiptir ve, teorik olarak, belirsiz bir süre boyunca farklılaşmamış halde
kültürde muhafaza edilebilirler [4]. "ES hücresi" terimi, bu embriyo türevli pluripotent
hücreleri teratokarsinoma türevli pluripotent embriyonal karsinom (EC) hücrelerinden
ayırmak için kullanılmıştır [21]. Her ne kadar embriyonik kök hücrelerin bu karakteristik
özellikleriyle doku mühendisliği için ilgi çekici bir hücre kaynağı olsa da kullanımlarını
engelleyen bazı sınırlayıcılar bulunmaktadır. Öncelikle, insan ESC’lerin elde edilmesi
sırasında embriyoların öldürülmesi gerektiğinden birçok etik sorun ortaya çıkmaktadır.
İkinci olarak, bunlar allojenik kaynaklardan elde edilecekleri için immün cevabın oluşma
16
olasılığı bulunmaktadır, bununla birlikte araştırmalar bunun geleneksel organ
transplantasyonundan daha zayıf olabileceğini göstermektedir. Son olarak ise
farklılaşmamış durumda bulunduklarından dolayı ESC’lerin tümörijenik ve kötü huylu
(malign) hücrelere dönüşme olasılığı bulunmaktadır [4].
2.4.2 Yetişkin Kök Hücreler
Yetişkin kök hücreler doğum sonrası dokulardan izole edilirler. Bunlar da çoklu hücre
soyuna farklılaşabilir ama dönüşebilecekleri hücre tipleri sınırlıdır ve embriyonik kök
hücreler ile karşılaştırıldığında daha sınırlı proliferasyon potansiyeline sahiptirler [4].
Yetişkin kök hücrelerin minimum tümörijenisitesi ve etik kaygılar nedeniyle embriyonik
kök hücrelere göre kullanımında daha az endişe duyulmaktadır [19]. Bu hücrelerin başka
bir avantajı da sıklıkla hastanın kendinden elde edilmekte, böylelikle de bağışıklık sistemi
tarafından reddine yol açacak durumları ortadan kaldırmaktadır. Ancak dokuda hasar
fazlaysa, hastalık varsa veya dokunun kök hücre bulunabilirliği az (ör: sinir dokusu) ise
otolog hücreler kullanılamayabilir [4].
Yetişkin kök/progenitör hücreler kemik iliği, periferik kan, göbek kordonu kanı, plasenta,
amniyotik sıvısı, amniyotik membranı, Wharton jölesi
1
, adipoz dokusu, dermis, saç
folikülü, sinovyal membranı, iskelet kası, merkezi sinir sistemi, koku bulgusu
2
,
gastrointestinal epitel, retina, cenin karaciğeri, iç kulak ve daha birçok dokudan izole
edilmektedirler. Mezenkimal, epitelyal, hematopoietik, nöral, endotelyal ve trofoblastik
dahil olmak üzere farklı kök hücre tipleri, hatta bir kısmı birden fazla kök hücre barındıran
bu kaynaklardan tanımlanmıştır [22]. Yetişkin kök hücreler, her ne kadar, birçok
kaynaktan elde edilse de kemik iliğinden elde edilen mezenkimal kök hücreler (MSC’ler)
en çok kullanılanlardır. Bu hücreler yoğun bir şekilde karakterize edilmiştir ve kemik iliği
biyopsisi yoluyla büyük miktarlarda ve göreceli olarak daha kolay elde
edilebilmektedirler. MSC’ler kemik, kıkırdak ve yağ dokularına farklılaşma yeteneğine
sahiptir. Bu da bunları, özellikle bağ doku ve kas ve iskelet sisteminin rejenerasyonu için
kullanışlı yapmaktadır. Multipotent farklılaşma yeteneklerine ek olarak, MSC'lerin
1
Göbek kordonunun yapısını oluşturan -içinden damarların geçtiği- pelte kıvamında, parlak ara madde
2
Tractus olfactorius’un başlangıcındaki genişleme gösteren kısım
17
farklılaşma sonrası bile bağışıklık sistemi baskılayıcı özellikte olduğu kadar hipo-
immünojenik
1
olduğu da gösterilmiştir [4].
2.4.3 İndüklenmiş Pluripotent Kök Hücreler
Son zamanlardaki gelişmeler, belli bir hücre soyuna farklılaşma geçirmiş olanlar da dahil
olmak üzere somatik hücrelerin ESC benzeri bir duruma yeniden programlanabilmesine
yol açmıştır [4]. 2006 yılında Takahashi ve Yamanaka, herhangi bir hücreyi yeniden
programlayarak pluripotent duruma geri taşıyan 4 çekirdek transkripsiyon faktörünü,
Oct4, Sox2, Klf-4 ve c-Myc'yi, damıtmış ve bu hücreleri indüklenmiş pluripotent kök
hücreler (iPSC) olarak isimlendirmiştir [23]. Bu keşif yönlendirilmiş farklılaşma prosesi
olarak bilinen, herhangi bir hücre tipini somatik hücre durumundan ilk olarak yeniden
programlamayla indüklenmiş pluripotent aşamasına döndürülmesi ve daha sonra bazı
faktörlerle farklılaştırarak istenilen hücrenin elde edilmesini sağlamaktadır [24]. Bu
uyarılmış pluripotent kök hücreler (iPSC), bilim insanlarının, ESC'leri tipik yetişkin kök
hücreler üzerinde avantajlı kılan, artan proliferasyon ve farklılaşma kapasitesini
korurken, ESC'lerin etik ve bağışıklık reddi endişelerini aşmalarına izin vermektedir.
Başlangıçta, genomla bütünleşen virüslerin veya vektörlerin kullanılmasının, tümörlerin
gelişmesine yol açabileceği endişesi, geçici veya çıkarılabilir vektörler kullanılarak veya
doğrudan proteinlerin verilmesiyle azaltılmaktadır. Aynı bireyden izole edilmesine
rağmen, yakın zamandaki çalışmalar göre, iPS hücreleri implantasyon sonrası bir
bağışıklık tepkisi üretebilmektedir ve bu hücreler umut verici olmalarına rağmen, klinik
bir ortamda kullanılmadan önce daha fazla araştırma yapılması gerektiği görülmektedir
[4].
İndüklenmiş pluripotent hücrelerin kullanıldığı yönlendirilmiş farklılaşmaya benzer
şekilde, direkt programlama da hücre kaderini manipüle eden yeni bir teknik olarak ortaya
çıkmıştır. Direkt programlama, ismin de önerdiği gibi, yetişkin hücrelerin aradaki
indüklenmiş pluripotent aşamasına uğramadan tamamen farklı bir hücre tipine direkt
olarak dönüşmesidir. Birçok çalışma bu metodun geniş çapta hücre tipine ulaşmak için
kullanılabileceğini göstermiştir. Ayrıca farklılaşmanın takip ettiği iPSC
programlamasıyla karşılaştırıldığında daha basit ve kısa bir prosestir. Daha da önemlisi,
1
Daha az immün cevap oluşturan; daha az antijenik
18
iPSC için aradaki indüklenmiş pluripotent aşama ile bağlantılı teratoma oluşturma
potansiyelini engellemektedir. Şu anda kişiselleştirilmiş ve rejeneratif tıpta ve ilaç
taraması için hastaya özel hastalık modellerinin oluşturulmasında en umut verici
yaklaşımlardan biridir [24].
Şekil 2.5: iPSC yeniden programlamaya karşı direkt hücre yeniden programlama.
Farklılaşma, yeniden programlama ve direkt dönüşüm sürecini gösteren şematik
diyagram. Hücre kaderini manipüle etmek için kullanılan yeniden programlama
faktörlerinin geleneksel uygulama şekilleri belirtilmiştir. Son çalışmalar, bu süreci
modüle etmede biyomalzemelerin oynadığı kritik rolü de çözmüştür. (Ref. [24])
19
BÖLÜM 3
KÖK HÜCRE KADERİNİN BELİRLENMESİNDE
NANOMATERYALLERİN ETKİLERİ
Kök hücreler, insan vücudundaki birçok farklı doku veya organın kendini onarması için
bu organ veya dokuda kullanılacak özelleşmiş hücre soylarına farklılaşabilen, benzersiz
bir hücre sınıfıdır. Kök hücrelerin kaderinin kontrol edilmesi son yıllarda rejeneratif
tıbbın en önemli amaçlarından biri haline gelmiştir. Bu kök hücre kontrolünün
merkezinde, kök hücre davranışlarını etkileyen çeşitli faktörler ve bu faktörlerin hücresel
ve dokusal işlevlerin kazanılmasına nasıl etki gösterdiğinin bilgisi bulunmaktadır. Bunun
nedeni, genel olarak, yapışma, proliferasyon ve farklı soylara farklılaşma gibi kök hücre
davranışları fiziksel, kimyasal veya çevresel birçok faktörden etkilenmektedir [14]. Canlı
vücudundaki doğal ECM, çeşitli fonksiyonlarından biri olan mekanik olarak bağlantılı
sinyal yolaklarını indükleyerek kök hücre kaderini yönlendirmektedir. Kök hücreleri
belirli hücre soylarına dönüştürmek için araştırmacılar ve biyomühendisler, doku
mühendisliği ve mikro/nanofabrikasyon tekniklerini birleştirerek kök hücrelerin in vivo
olarak bulunduğu ECM özelliklerini taklit etmeye çalışmaktadır [25].
Son on yıldır, nanofiberlerden, nanopartiküllerden ve nanotüplerden üretilen doku
iskelelerinin kök hücre kaderi üzerindeki etkileri incelenmektedir. Nanofiberler en çok
raporlanan materyaller olarak, biyobozunur sentetik polimerlerden [polikaprolakton
(PCL), poli(laktik-ko-glikolik asit) (PLGA), polilaktik asit (PLA) veya polivinil alkol
(PVA)] kollajen, jelatin veya kitosan gibi doğal polimerlere kadar çok çeşitli
hammaddelerden üretilebilmektedir. Bunlara ek olarak, karbon nanotüpler (CNT’ler)
veya titanyum dioksit (TiO2) nanotüpler gibi nanotüp iskeleler ise muazzam mekanik
mukavemetleri açısından iskele fabrikasyonu için iyi seçenekler sunmaktadır. Bu
nanomateryaller arasında özellikle bazıları ABD’de de bulunan Gıda ve İlaç Kurumu
(FDA) tarafından ilaç formülasyonlarının bir parçası olarak onaylanmıştır; mesela, bir
antikanser ilaç olan Taxol’un nanopartikülle bağlandığı Abraxane™ veya doku
mühendisliği için 2005’te onaylanan NanoOss™ (kalsiyum ve fosfat nanokristalleri) gibi.
Buna rağmen, kök hücre farklılaşması için bu materyallerin kombinasyonlarıyla oluşan
nano-iskeleler hala keşfedilen bir alandır. Daha dikkatli bir şekilde araştırılmalarının ve
çalışılmalarının ardındaki asıl neden ise, partiküller nanoboyutlara indiğinde fizik ve
20
kimya yasalarının oldukça farklı olduğuna dair genel fikir birliğinden kaynaklanmaktadır,
bu yüzden nanomateryallerin FDA tarafından onaylanmadan önce güvenli kullanımlarına
yönelik daha yoğun araştırma yapılması gerekmektedir [19].
3.
Kök Hücre – Nanomateryal İskele Etkişimlerindeki Mekanizmalar
Doku rejenerasyonu için kullanılacak bir biyomalzeme, fizyolojik nişi taklit eden
bilgilendirici mikroçevrelere sahip olmalı ve kök hücrelerin biyomalzemenin
talimatlarını yorumlamasına ve kaderlerini buna göre değiştirmesine izin vermelidir.
Özellikle kompozisyon ve yapı bazlı olarak, biyomateryaller hücrelere sinyaller
göndererek, bu sinyallerin hücrede biyokimyasal sinyallere deşifre edilmesini
sağlamalıdır. Bundan dolayı da biyomateryallerin yüzey topografisi, kimyası ve fiziksel
özellikleri kök hücre kaderini yönlendirmede kritik parametrelerdendir [5]. Her ne kadar
pürüzlülük, sertlik, yüzey kimyası gibi sayısız fizikokimyasal özellikler kök hücre
bağlanması, proliferasyonu veya farklılaşması için önemli rol oynuyor ise de
nanomateryal ipuçlarını ve kök hücre kaderini bağlayan kesin mekanizmalar henüz tam
olarak araştırılamamıştır [19].
Genel olarak yüzey kimyası veya yığın özellikler gibi parametrelerin prosesi
şekillendirdiği raporlanmaktadır. Bunlar sadece kısa vadeli olarak kök hücrelerin
yapışmasını, yayılmasını ve çoğalmasını etkilemek için değil, aynı zamanda uzun vadede
belirli bir soya tanımlanmayı ve hücrelerin canlılığını etkilemek için bağımsız veya
sinerjik bir etki uygulayabilmektedirler [19]. Kök hücreler ise kesme gerilmesi, mekanik
gerilme, matris topografisi ve sertlik gibi uyaranları algılayabilir, iletebilir ve bu
uyaranlara cevap oluşturabilir [25].
3.1.1 Mekanotransdüksiyon Yolakları
Kök hücrelerin ve bağlanmayı sağlayan nanomateryal iskelelerinin etkileşimini yöneten
moleküler mekanizmalar en başta, fiziksel uyaranların biyokimyasal sinyallere
dönüştürüldüğü ve daha sonra hücresel tepkilere entegre edildiği süreç olan
mekanotransdüksiyonu içine alacak şekilde olduğu ileri sürülmektedir [26]. Bu
mekanizma kök hücrelerin, adezyon hücre zar proteinleri ile iskelelerin etkileşimi sonucu,
sito-iskelet liflerine iletilen çekme kuvvetlerini oluşturduğu ve bunlar vasıtasıyla da
21
kromatinin yeniden şekillendirildiği ve gen ifadesinin etkilendiği çekirdek ile etkileşimler
muhtemeldir [27]. Gerçi transdüksiyon mekanizmaları oldukça komplekstir ve tamamen
anlaşılamamıştır [19]. Ek olarak, hücreler tarafından üretilen çekiş kuvvetleri, kendini
yenileme ve farklılaşma gibi birçok biyolojik süreci önemli ölçüde etkileyebilir.
Araştırmalar, mekanotransdüksiyon cevabına katkıda bulunan kritik mekano-duyarlı
moleküllerin ve hücresel bileşenlerin belirlenmesine odaklanmıştır [28].
Bu alandaki çoğu gelişmeye integrinler, fokal adhezyon kinaz (FAK) aracılı Ras homolog
gen ailesi, üye A (RhoA)/Rho ile ilişkili çift kıvrımlı protein kinaz (ROCK) yolu ve
ekstrasellüler sinyalle düzenlenen kinaz (ERK)/mitojen aktif protein kinaz (MAPK) yolu
dahil edilmektedir ki, bunlar belli başlı nanomateryaller tarafından mekanik olarak
yüklenmeleri sonucu kök hücrelerin hücresel tepkilerinden sorumlu oldukları
düşünülmektedir. Mekanotransdüksiyon sinyallemesininde en çok rapor edilen
başlatıcılar integrinlerdir [19]. Bağlı hücrelerin (örnek olarak MSC'ler) integrinleri,
ECM'yi sito-iskelete fiziksel olarak bağlayan ve böylece sinyalleme reseptörleri olarak
işlev gören direkt mekanosensörler olarak kabul edilmektedirler. Daha da önemlisi, hücre
integrinleri, ECM'yi harici olarak bağlarken, fokal adezyonu aktin hücre iskeletine bağlar.
Ayrıca, mekanik kuvvetler, spesifik içsel fokal adezyonların (vinkulin ve fibronektin gibi)
bileşenlerinin ve bunların konformasyonlarının göreceli konumlarını değiştirerek ve
integrin bağımlı sinyallemeyi ve MAPK'lerin aktivasyonunu tetikleyerek fokal adezyon
noktalarının (FA’lar) birleşimini teşvik eder [28].
Şekil 3.1: Kök hücrelerin ve nanomateryal iskelelerin etkileşiminde yer alan
mekanotransdüksiyon yolağının şematik diyagramı: integrinler ECM proteinlerine
(fibronektin veya vitronektin gibi) bağlandıktan sonra, integrin ligasyonu FAK
sinyallemesini aktive eder. Aktive edilmiş FAK, oto-fosforilasyona maruz kalır ve
22
hücre bilgisinin hücre çoğalmasına tepki gösterdiği hücre çekirdeğine aktarılması için
ERK/MAPK yolunun işlem sonrası (downstream) sinyalini tetikler ve böylece
hücrelerdeki çoğalma ve farklılaşma gibi değişiklikler üretilebilir. RhoA/ROCK yolu da
aktif FAK tarafından tetiklenebilir ve daha sonra kök hücreleri etkilemek için
ERK/MAPK yolunu aktive edebilir. (Ref. [19])
3.1.2 Nanoyapılı İskelelerin Yüzey Karakteristikleri
Farklı motiflerdeki yüzey topografileri, nanomateryal kompozisyonu ve pürüzlülük gibi
etkenlerle indüklenen yüzey karakteristikleri hücre-iskele iletişimini sağlar, proliferasyon
ve farklılaşma dahil sayısız hücre cevabını tetikler [19]. Şimdiye kadar birçok çalışma
yüzey topografisinin (rastgele/düzenli kabartmalar, desenler vs.) ve yüzeyin kimyasal
kompozisyonunun kök hücrelerin adezyonunu, göçünü, proliferasyonunu veya
farklılaşmasını yönlendirebileceğini göstermiştir [5].
Omurgalıların dokuları boyunca hücresel mikroçevrenin yüzeyi pürüzsüz veya düz
değildir, bunun yerine doğal ECM'ler oluklar, çıkıntılar, çukurlar, gözenekler ve fibrilsel
ağlar gibi farklı desenlerdeki topografilere sahiptirler [13]. Bunun yanında, doğal
ECM’ler nanometrelerden santimetrelere kadar değişebilen boyutlarda fiberler, levhalar
ve diğer şekillerde düzenlenir [25]. Hücreler de etkileştikleri mikroçevrelerin bu
topografik özelliklerine tepki oluşturur. Bundan dolayı, rasyonel olarak tasarlanmış
topolojik substratlar bottom-up (moleküler inşa bloklarının kendi kendine montajıyla)
veya top-down (yığın materyallerin parçalanmasıyla) kullanılarak üretilebilir ve bu
yaklaşımlar hücre büyümesini ve farklılaşmasını kontrol edebilecek non-invazif ve
biyokimyasal olmayan araçlar sağlayabilirler [13]. Fakat bu özelliklerin taklit
edilebilmesi için daha çok elektron ışını litografisi, fotolitografi, kolloidal tabakanın
kendiliğinden montajı ve diğer mikro/nanofabrikasyon teknikleri kullanılarak substrat
topografisinin hücresel davranışa etkilerinin daha iyi anlaşılabilmesi için deneysel
platformlar oluşturulmaktadır [25]. Kök hücrelerin proliferasyonu ve farklılaşması ayrıca
nanomateryallerin oryantasyonuna göre de yönlendirilebilir. Bunun olası bir açıklaması
ise; düzenli bir hizalanma gösteren nanomateryaller, düzenli şekildeki
fiberlerden/fibrillerden oluşan bir ECM’yi daha iyi taklit ederek kök hücre farklılaşmasını
ve proliferasyonunu arttırabilir şeklindedir [19]. Örnek olarak, Wang ve diğ. [29] nöral
projenitör hücrelerin (NPC’lerin) kollajen nanofiberlerinin düzenlenmesini
23
tanıyabildiğini ve hizalanmış nanofiberler üzerinde rastgele oryantasyona sahip
substratlara göre daha verimli şekilde büyüdüğünü göstermiştir.
Şekil 3.2: Kök hücre davranışlarının düzenlenmesinde biyomekanik etkilerin şematik
diyagramı. Mekanik gerilim, substrat sertliği, kesme gerilmesi ve topografi gibi
mekanik uyarılar farklı kombinasyonlar şeklinde kök hücre fenotiplerini etkiler. (Ref.
[25])
Farklı Dokularda Kök Hücre-Nanomateryal Uygulamaları
3.2.1 Kemik Dokusu Rejenerasyonu
Gittikçe yaşlanan popülasyonlarla birlikte fiziksel travmalar, tümörler veya diğer kemik
hastalıklarından dolayı oluşan kemik hasarları nedeniyle birçok kişi acı çekmektedir [19].
Bu kemik hasarlarının günümüzde tedavileri; I) otogreftler, bunlar en iyi klinik başarı
sağlayan “altın standart” olarak düşünülmektedir. Bu tedavi, hastanın sağlıklı bir
bölgesinden kemik dokusu alınarak hasarlı bölgeye transplantasyonu; II) allogreftler,
genel olarak kadavradan alınan dokunun hastaya transplantasyonu; III) metaller,
plastikler ve çeşitli seramik malzemeler gibi sentetik materyaller; IV) büyüme faktörleri
(kemik morfojenik proteinleri ve paratiroid hormonlar) ve ilaçlar (bifosfonatlar gibi)
kullanılarak yapılmaktadır. Ne yazık ki otogreft ve allogreft tedavilerin; cerrahi
24
maliyetler, enfeksiyon, hasat edilen bölgede yara oluşumu, immünojenisite ve hastalık
geçirgenliği gibi çeşitli dezavantajları bulunmaktadır [5]. Özellikle allogreftlerin immün
yanıt oluşturabilmelerinden dolayı kullanımları oldukça kısıtlanmaktadır. Ayrıca
geleneksel implant materyalleri ise ortalama olarak sadece 10-15 yıl dayanmakta ve
implant gevşemesi, enflamasyon, enfeksiyon, osteoliz ve aşınma kalıntılarından
kaynaklanan implant hataları sıklıkla meydana gelmektedir. Bu nedenle kemik veya
kıkırdak gibi dokuların yerine geçecek ve hasarlı bölgede doku rejenerasyonu
destekleyerek veya bir ömür boyu hastanın kullanabileceği yeni nesil implantların
geliştirilmesinin aciliyeti ortadadır [30].
İnsan kemiklerinin mekanik özellikleri kapsamlı olarak araştırılmış ve karakterize
edilmiştir. İnsan kortikal kemiğinin sıkıştırma katsayısı ve sıkıştırma kuvveti sırasıyla
17–20 GPa ve 106–133 MPa olarak bildirilmiştir. Ayrıca, kemiğin bükülme modülü 15.5
GPa'dır ve bükülme gücü 180 MPa'dır. Nanopartiküller doku mühendisliği iskeleleriyle
birleştirilerek mekanik özelliklerini geliştirmektedir. Nanopartikülle birleşmiş iskeleler,
kök hücrelerin farklılaşması ve olgunlaşması için gerekli mekanik desteği ve
mikroçevreyi sağlamaktadır [31]. Ancak sadece mekanik özellikleri uygun iskeleler
tasarlamak yeterli olmayabilmektedir.
25
Şekil 3.3: Nanomateryallerin biyomimetik avantajları. (A) Kemiğin nanoyapılı
hiyerarşik olarak kendiliğinden montajı. (B) Nanofaz titanyum (üst, atomik mikroskopi
görüntüsü) ve nanokristalin HA/HRN hidrojel iskele (alt, SEM görüntüsü). (C)
Nanomateryallerin kemik rejenerasyonu için geleneksel materyallerden üstün
olabileceği mekanizmanın şematik gösterimi. Nanomateryallerin biyoaktif yüzeyleri,
daha fazla miktarda protein adsorpsiyonunu teşvik etmek ve geleneksel malzemelere
göre daha fazla yeni kemik oluşumunu etkili bir şekilde uyarmak için doğal
kemiklerinkileri taklit eder. (Ref. [30])
Kemik, organik (fibröz şeritler) ve inorganik (çubuk şeklindeki kristaller) fazlardan
oluşan bir kompozit matrikstir. Kemiğin organik fazı çoğunlukla Tip-I kollajenden
oluşmakta ki bunlar, 300 nm uzunluğunda ve 1,5 nm çapındaki lineer moleküllerdir;
inorganik faz ise basitçe hidroksiapatit kristalleriyle inşa edilmekte ve bunlar 2 ila 5 nm
arasında değişen kalınlığa ve 20 ila 80 nm arasında değişen uzunluğa sahiptirler.
Günümüzde, kollajen nanofiberler ve nano-hidroksiapatit (nanoHA) kristalleri içeren
kemik ECM'nin biyomekanik ve biyolojik yapısını taklit etmek, kemik doku
mühendisliği iskelelerini tasarlamak ve geliştirmek için etkili bir stratejidir. Bununla
birlikte, kemiğin iyileşme bölgelerine yeni hücreler katılmadıkça kemik iyileşmesi sadece
iskelelenin yerleştirilmesiyle garanti edilemez. İyileşmeye katılan önemli hücre
26
türlerinden biri, osteoblastlara farklılaşarak yeni kemik oluşumunun doğal sürecinde
önemli bir bileşen olan MSC'lerdir. Günümüzde birçok çalışma nano-bileşenli iskelelerin
MSC'lerin yapışmasını, yayılmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını destekleyerek kemik
rejenerasyonu sürecine yardımcı olabileceğini ortaya koymuştur [19].
Kemiğin iç kaynaklı, endojenöz, materyalini kullanmak iyi bir başlangıç noktası olsa da
kollajenin zayıf yapısal stabiliteye sahip olması ve nanoHA'nın kırılganlığı büyük
zorluklar oluşturmaktadır. Kemikteki doğal bileşenleri tekrar formüle etmek ve bu
sınırlamaları aşmak için kullanılan bir yöntem olarak; iskeleleri stabilize etmek için bir
kollajen ve nanoHA karışımına biyobozunur bir polimer ilave etmektir [19]. Birçok yazar
da biyo-emilebilir polimerler ve hidroksiapatit bazlı elektro-eğrilmiş hibrid iskelelerin
osteoblast proliferasyonuna ve farklılaşmasına izin verdiğini bildirmiştir [5]. Bu nedenle,
Jose ve ark. [32] yapısal stabilite ve mekanik bütünlük sağlamakla birlikte sentetik
polimerlerdeki insan MSC'lerin (hMSCs) bağlanmasını geliştirmek için uyumlu bir
nanofibröz PLGA/kollajen/nanoHA iskele önermiştir. Benzer şekilde, nano-
HA/kitosan/karboksimetil selüloz (CMC) kompozit iskeleler, PCL/nanoHA nanofibröz
membranlar ve PLGA/nanoHA iskeleler gibi iyi mekanik ve biyolojik olarak bozunabilir
özelliklere sahip nanoHA/polimer kompozit yapı iskeleleri dizayn edilmiştir [19].
Son zamanlarda, Meng ve ark. [33] polilaktik asit, hidroksiapatit ve γ-Fe(2)0(3)
nanopartiküllü bir paramanyetik nanofibröz kompozitten oluşan ve statik manyetik alan
altında osteoblastların proliferasyonunu, farklılaşmasını ve ECM salgılanmasını önemli
ölçüde artıran umut verici bir terapötik uygulama oluşturmuştur. Kollajen ve
hidroksiapatit dışında, doğal kemik ECM'sini taklit etmek için, sayısız organik/inorganik
hibrid materyal de araştırılmıştır. Kitin-kitosan/nano-TiO2 kompozit iskeleler, jelatin
yüzey modifiye kalsiyum fosfat/poli(hidroksibütirat-ko-hidroksivalerat) (PHBV) nano-
kompozit yapılı iskeleler ve nanoyapılı mezoporöz silikon (PSi)/PCL fiberler üzerinde
kültürlenen hMSC'lerde yüksek biyouyumluluk ve osteojenez yeteneğinin etkilenmediği
gösterilmiştir [19].
İnsan MSC’lerin transplantasyonu ve bunların kemik dokuya farklılaşmasının
yönlendirilmesinin grafen nanomateryaller kullanılarak sağlandığı bildirilmektedir.
Grafenin sadece hMSC’lerin büyümesini ve proliferasyonunu desteklemediği ama aynı
zamanda, osteoblastlara spesifik farklılaşmasını hızlandırdığı son çalışmalardan biri
tarafından kanıtlanmıştır. Önemli olarak, hMSC'lerin grafen ile hızlandırılmış
27
osteojenezi, büyüme faktörü yokluğunda elde edilmiş ve hızlanma oranı, tipik büyüme
faktörlerinin kullanımı ile elde edilene benzer şekildedir. Grafenin, hMSC'lerin
osteojenik soyuna doğru farklılaşmasını teşvik ettiği açıkken, kök hücre farklılaşmasının
hızlanmasının nedeni ise belirsizdir. Çeşitli geometrilere ve boyutlara sahip yeni nano-
ölçekli grafen oksit (NGO) kombinatoryal hibrid-desen dizileri, insan adipoz-kaynaklı
MSC'lerin (hADMSC'ler) spesifik hücre soylarına seçici olarak ayrılması için farklı
sitouyumlu substratlar üzerinde imal edilmiştir. HADMSC'lerin arttırılmış osteojenik
farklılaşması için hücresel morfolojiyi modüle eden NGO çizgi desenleri kullanılmıştır.
HADMSC’lerin osteoblastlara NGO çizgi desenleri üzerindeki osteojenik farklılaşması,
sırasıyla, osteojenik işaretleyici, kemik rejenerasyonu belirteci olarak osteokalsin ve
kalsinasyon seviyesi, alkali fosfataz testi, immün boyama ve Alizarin Red S analizine
dayanarak değerlendirilmiştir [14]. Kök hücrelerin hızlandırılmış farklılaşmasının altında
yatan moleküler temeli çözmek için, Wong ve grubu [34], substratlar ve kimyasal
indükleyiciler arasındaki bağlanma etkileşimlerini araştırmışlardır. Bu çalışma, benzersiz
kovalent olmayan π-π bağlanma özelliği ile çeşitli büyüme faktörleri ve farklılaşma
kimyasalları için grafenin bir ön konsantrasyon platformu olarak hizmet verebilme
olasılığını ortaya koymuştur. Belli bazı serum proteinleri ve osteojenik indükleyicilerin,
grafen üzerinde uygun şekilde istiflendiği ve sonuç olarak, kök hücrelerin yapışmasını,
çoğalmasını ve kemik farklılaşmasını geliştirdiği belirtilmiştir. Bununla birlikte, grafenin
π-π bağlanma kapasitesi çift taraflı bir kılıç gibidir. Aslında, hMSC'lerin adipojenik
farklılaşmasını, grafen ile güçlü π-π etkileşimlerinden dolayı grafen üzerinde insülinin
(yağ asidi sentezinde önemli bir regülatör) denatüre olması nedeniyle önemli ölçüde
bastırılmaktadır. Tersine, geniş sp2 konjugasyonu ve π-π bağlama kabiliyetinin grafen
oksit (GO) üzerindeki oksijenin fonksiyonları tarafından bozulduğu için hidrofilik GO
varlığında adipojenik soya karşı kök hücre farklılaşması etkilenmemektedir [14].
3.2.2 Kıkırdak Dokusu Rejenerasyonu
Kıkırdak, hareket kabiliyeti için çok önemlidir, çünkü kemiklerin uçlarındaki eklemleri
örten dokudur. Yükleme ve travmalar, uzun vadeli sonuçlarla kıkırdağa zarar
verebilmektedir [35]. Otolog kondrosit transplantasyonu (ACT) gibi hücre bazlı tedaviler,
1987'den beri tam kondral kalınlık kusurlarını tedavi etmek için klinik olarak
kullanılmaktadır. Tam kondral kalınlık kusuru olan yaklaşık 12.000 hasta dünya çapında
ACT'den faydalanmıştır. Her yıl Amerika Birleşik Devletleri'nde son evre hastalığı olan
28
eklem yetmezliği için 250.000'den fazla diz ve kalça protezi yapılmaktadır ve diğer birçok
hastada daha az ciddi kıkırdak hasarı bulunmaktadır [36]. Kıkırdağın rejenerasyon
kapasitesi son derece düşük olduğundan da dejeneratif kıkırdak hastalıklarını tedavi
etmek ve iyileştirmek için rejeneratif bir yaklaşım gereklidir [35]. Yetişkin kıkırdağı,
vasküler ağların olmaması ve kondrositlerin, yoğun ECM içinde sıkışmasından dolayı
yaralanma sonrası vücut tarafından normal olarak yeniden üretilemediğinden, hasarlı
kıkırdak sınırlı bir iyileşme kapasitesine sahiptir ve ilerleyen sakatlıklara yol
açabilmektedir. Kondrositler, mühendislik ile kıkırdak dokuları üretmek için kullanışlı
olmalarına rağmen, otolog kondrositler kullanıldığında düşük proliferatif kapasite, fibröz
kıkırdak oluşumu ve donör bölgelerin morbiditesi nedeniyle daha geniş uygulama alanları
sınırlanmaktadır. Bundan dolayı da kondrojenik farklılaşma yeteneklerinden dolayı
MSC’ler kıkırdak doku mühendisliği için sıklıkla önerilmektedir [19].
Başarılı kıkırdak mühendisliği için, biyobozunur polimerlerden üretilen nanofibröz
iskeleler hem in vitro hem de in vivo olarak hücresel büyümeyi destekleyecek şekilde
doğal kıkırdak ECM'sini taklit etmek üzere yoğun bir şekilde araştırılmıştır. Örnek olarak,
elektro-eğrilmiş PCL iskeleler, elektro-eğrilmiş PCL nanofiber ağlar ve PLGA
nanofibröz iskeleler in vitro olarak MSC’lerin büyümesini ve kondrojenik farklılaşmasını
desteklemek için geliştirilmişlerdir. Bunlardan biri; Li ve ark. [37] elektro-eğrilmiş
poli(ε-kaprolakton) nanofibröz iskelede in vitro olarak MSC’lerin kondrojenezini
incelemişlerdir. Kök hücrelerin nanofibröz iskele üzerinde kondrositlere farklılaşması,
kurulmuş hücre kültürüyle karşılaştırılabilirdir. Bununla birlikte, kolaylıkla imal edilmiş
ve modifiye edilmiş nanofiberler, hücre kültürlerinin kullanımındaki dezavantajların
üstesinden gelmek için çok daha iyi mekanik özelliklere sahiptir ve bu nedenle, klinik
kıkırdak onarımı sırasında kök hücre nakli için ideal adaylar olarak sunulmaktadır [30].
İnsan ömrü boyunca kas, yerçekimi, kan akışı ve diğer fiziksel süreçlerden dolayı çeşitli
mekanik kuvvetler sürekli olarak endojen kök hücre büyümesini ve soyun
kararlaştırılmasını etkilemektedir. Bunun kıkırdağa olan önemi ise çevresel mekanik
kuvvetlerin sürekli etkisinde olmasıdır. Bu nedenle, kıkırdak doku mühendisliği
yaklaşımları için üretilen yapılar üzerine ekilmiş kök hücrelere, dinamik gerilme
uyarımının etkilerini araştıran çalışmalar bulunmaktadır [19]. Kritik yük taşıyıcı bir rol
oynayan menüsküsün onarımını amaçlayan bir çalışmada in vivo ortamda kök hücrelere
29
in vitro olarak meniskal fibrokartilaj
1
suşlarına eşdeğer bir ölçüde dinamik gerilme
uyarımı uygulanmıştır. Kuvvet uygulanmayan kontrol ile karşılaştırıldığında; yüksek
gerilme kuvveti, artan fibröz gen ekspresyonu ve kollajen birikmesi ile hizalanmış
nanofibröz PCL ağ yapıları üzerine ekilen buzağı MSC'lerinin kıkırdak farklılaşmasını
arttırmıştır [38].
Nanofibröz iskelelerin kullanımındaki en büyük zorluk, liflerin içsel olarak küçük
gözenek boyutuna sahip olmasıdır, bu da ekilmiş hücrelerin iskele içine sızmasını ve
göçünü sınırlayarak iskele hücre dağılımını etkiler. Bu sınırlama, kıkırdak için iskele
üzerindeki hücre ekimi prosedürlerini değiştirerek aşılabilir. PLLA/PCL/Kol/nanoHA
iskeleleri gibi akıllı materyaller, nanofiberler içine proteinler ve genler gibi biyosinyal
moleküllerini dahil ederek terapötik etkileri ortaya çıkarır. İlaç salınım uygulamaları ile
kemik doku mühendisliğinin birlikte kullanımı ile ortaya çıkan iskeleler büyük vaatlerde
bulunmaktadır [36].
3.2.3 Sinir Dokusu Rejenerasyonu
Fiziksel darbeyi yumuşatmak için yüksek mekanik mukavemete sahip kemik veya
kıkırdak dokusunun aksine, sinir sistemi daha hassastır ve Parkinson hastalığı, travmatik
beyin hasarı, beyin tümörü, iskemi
2
gibi kan sağlama problemleri, inme, enfeksiyonlar ve
diğer birçok patolojik durum dahil olmak üzere çok çeşitli koşullar, hastalıklar ve
yaralanmalar nedeniyle hasar görebilir [19]. Genel olarak sinir sistemi iki ana bölüme
ayrılır: Merkezi sinir sistemi (CNS; beyin ve omuriliğini içerir.) ve çevresel sinir sistemi
(PNS; spinal ve otonom sinirleri içerir.). Bu iki sistem bir yaralanmadan sonra iki farklı
tamir prosedürüne sahiptir. PNS için hasarlı aksonlar genellikle Schwann hücrelerinin
çoğalması, makrofajlar veya monositler tarafından miyelinin fagositozlanması, Schwann
hücrelerinin paketlenmesi ile Bünger bantlarının oluşması ve distal segmentte aksonların
filizlenmesi yoluyla yeniden oluşur ve iyileşir. Ancak, Schwann hücrelerinin yokluğu
nedeniyle CNS'deki fonksiyonları kurtarmak için aksonları yeniden uzatmak ve yeniden
sinir sistemine bağlamak zordur. Daha da önemlisi, astrositlerin, meningeal
3
hücrelerin
1
Omurilikteki intervertebral disklerinki gibi kolajen lifli demetleri içeren kıkırdak.
2
Dokunun yeterince kan alamaması durumu, bölgesel anemi
3
Beyin zarına ait
30
ve oligodendrositlerin etkisinden dolayı günümüzde nöral biyomateryallerin etrafında
oluşan kalın glial yara dokusu bağlanma noktasına yakın akson büyümesini ve nöron
rejenerasyonunu engelleyecektir. Bu nedenlerden dolayı, CNS yaralanmaları ciddi
fonksiyonel hasarlara neden olabilir ve PNS yaralanmalarına göre onarımı çok daha
zordur [30]. Her yıl Amerika Birleşik Devletleri’nde 1,7 milyon travmatik beyin
yaralanması oluşmaktadır. Bunun yaklaşık %3’ü ölümle ve %16,3’ü hastaneye yatma ile
sonuçlanmaktadır [39].
Şekil 3.4: Merkezi ve periferik sinir sistemlerinde yaralanmış sinir rejenerasyonunun
şematik gösterimi. (A) merkezi sinir sisteminin glial yara dokusu oluşumu ile kurtarma
işlemi ve (B) Schwann hücreleri, makrofajlar ve monositlerin aktivitesini içeren
periferik sinir sistemi kurtarma işlemi. (Ref. [30])
Özellikle omurilik yaralanmasında sinir doku onarımı için yeni medikal tedaviler
gerekmektedir, çünkü aksonlar doğal ortamlarında kayda değer bir şekilde yenilenmezler.
Günümüzde ise büyük sinir hasarlarının tedavisinde altın standardı sinir otogreft
transplantasyonları oluşturmaktadır. Fakat bu stratejinin uygulanması maalesef donör
31
bölge morbiditesi, donör sinir hücresi yetersizliği ve yetersiz fonksiyonel iyileşme ile
sınırlanmaktadır [5]. Yenilikçi nanoteknolojik yaklaşımlar, sinir hücrelerinin göçü ve
yaralanan alandaki çoğalması için uygun nanomateryallerin tasarım ve modifikasyonuna
izin vermektedir. En yeni stratejiler ise sıklıkla, çeşitli kök hücreleri sinirsel doku onarımı
için gelişmiş nanomateryallerle birleştirmektedir. Nöral kök hücreler (NSC'ler), kendini
yenileme ve nöronlara, astrositlere ve oligodendrositlere doğru çok soylu farklılaşmayı
kontrol etme yeteneklerine sahiptir. Bu nedenle, sinir dokudaki yaralanma veya
bozuklukların tedavisi için ümit vericidir ve sinir doku mühendisliğinde en çok incelenen
kök hücre tiplerinden biridir. Sinir doku mühendisliği uygulamaları için ideal
biyomalzemeler mükemmel sitouyumluluğa, mekanik ve elektriksel özelliklere sahip
olmalıdır. İyi sitouyumluluk özellikleri olmayan materyaller, nöron gelişimini sağlamada
başarısız olabilir ve aynı zamanda şiddetli iltihap veya enfeksiyona da neden olabilir.
Yeterli mekanik özelliklere sahip olmayan iskele, sinir doku rejenerasyonunu fiziksel
olarak destekleyecek kadar uzun süre dayanmayabilir. Ayrıca, elektriksel uyarım altında
nöron davranışını uyarmaya ve kontrol etmeye yardımcı olmak için iskelelerin üstün
elektriksel özelliklere sahip olması gereklidir ve böylece sinir doku tamirini daha etkili
bir şekilde yönlendirebilir [30]. Sinir doku mühendisliği, yönlendirilmiş sinir büyümesini
kolaylaştırmak için standart malzeme ve üretim tekniklerinden yoksun olmasına rağmen,
PLLA, PLGA, PCL, kollajen ve kitosan gibi hizalanmış destek oluşturabilen sentetik
veya doğal biyopolimerler, sinir onarımı için sinir yönlendirme borusu üretmek üzere
kullanılmaktadır [5]. Son zamanlarda, Chun-Yang Wang ve ark. [29], PLA-PCL
nanofibröz iskeleler ile karıştırılan hizalanmış ipek fibroininin, periferik sinir
rejenerasyonunu tek başına hizalanmış PLA-PCL'den daha iyi desteklediğini
göstermiştir.
İstenilen özelleşmiş sinir hücrelerine (örneğin, nöronlar ve oligodendrositler)
farklılaştırmak için araştırmacılar; biyo-ajanların, hücre göçünün ve hücre-hücre
etkileşiminlerinin gradyan difüzyonu için 3D mikroçevreleri incelemektedir [40]. Zhang
ve ark. [41], çeşitli işlevsel motifleri kendi kendine birleşen peptid RADA16'ya ekleyerek
bir 3D kültür sistemi geliştirdiler. Rekombinant ECM proteinleri ile kıyaslandığında,
peptid bazlı nanofiberler sadece topografiyi biyolojik olarak taklit etmekle kalmaz, aynı
zamanda istenilen fonksiyonel motiflerin saflığı ve miktarını da yüksek oranda
sunmaktadır. Biyolojik motiflerin daha yüksek olduğu bölgede, sinir hücrelerinin hayatta
kalması önemli ölçüde artmaktadır [40]. Benzer bir çalışma olarak, Lee ve diğ. [42]
32
poliüretan akrilat (PUA) üzerine UV-destekli kapiler kuvvet litografisi kullanarak nano-
ölçekli çıkıntı/oluk desenleri inşa etmiş ve bu desenlerin farklılaşma indükleyici ajanlar
yokluğunda bile, insan ESC’lerin nöronal soylara farklılaşmasını hızlı ve verimli bir
şekilde indükleyebileceğini göstermiştir.
Nanomateryaller içerisinde özellikle karbon-bazlı nanoyapılar, nanoboyutta grafen ve
karbon nanotüpler (CNT), sadece kök hücrelerin sinir hücrelerine faklılaşmasını
destekleyerek yönlendirmesinde değil de aynı zamanda nöronlar arasındaki sinyal
iletimini düzenlemelerini sağlayan mükemmel elektriksel iletimlerinden dolayı ilginç
sonuçlar göstermektedirler. Örneğin, tek duvarlı CNT (SWCNT) filmlerin, biyouyumlu
ve sinir doku rejenerasyonu için insan MSC'lerinin büyümesini desteklediği bulunmuştur
[43]; laminin/SWNT ince filmlerinin ise farklılaşmış NSC'lerdeki sinaptik bağlantıların
göstermiş olduğu üzere NSC’lerin proliferasyonunu ve farklılaşmasını desteklediği
bulunmuştur [44]. Yakın zamanda, grafen oksit polikaprolaktondan (GO-PCL) oluşan
yeni hibrid nanofibröz iskelenin, kimyasal indükleyicilerin yardımı olmadan NSC'lerin
olgun oligodendrositlere spesifik farklılaşmasını yönlendirmek için fiziksel ipuçları
sağladıkları gösterilmiştir [45]. Çalışmada biyouyumlu ve biyobozunur polimerik PCL
nanofiberler, GO ile homojen bir şekilde kaplanmıştır. GO kaplı PCL nanofiberler
üzerinde büyütülen NSC'ler, oligodendrositlere özgü, genişleyen bir dallanma
sergilemiştir. Gen ifadesi analizleri, bu hibrid iskelenin üzerinde büyüyen hücrelerin
olgun oligodendrosit işaretleyici (MBP) ifadesinde önemli ölçüde artış ve nöron
işaretleyici (TUJ1) ifadesinde ise az miktarda da olsa bir artış gözlendiğini
göstermektedir. Şaşırtıcı bir şekilde, bu NSC'lerin MBP ifadesi, GO konsantrasyonundaki
bir artışla uygun şekilde artmıştır. Bu, GO'nun oligodendrosit soyuna karşı spesifik NSC
farklılaşmasını desteklemesinin kolaylaştırılmasında GO-PCL hibrid nanofibröz
kompozitin oligodendrojenezi ve sinerjistik etkilerinin önemli rol oynadığı anlamına
gelmektedir [14].
İlginç bir şekilde, en yeni çalışmalardan biri, kök hücre farklılaşmasını elektriksel olarak
uyarmak için desenli grafen bazlı elektrotların üretimini rapor etmiştir [46]. Burada,
esnek grafenle birbirine bağlanmış elektrot devreleri ilk önce mürekkep püskürtmeli
olarak basılmış ve daha sonra da son derece iletken hale getirmek için darbeli lazerle
tavlanmıştır. MSC'ler bu grafen elektrotlar üzerinde immobilize edilmiş ve elektriksel
olarak uyarılmıştır. İlk kez, MSC'lerin, kimyasal büyüme faktörlerinin yokluğunda, esas
olarak elektriksel uyarım yoluyla Schwann hücresi benzeri fenotiplere transdiferansiye
33
olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, geleneksel kimyasal işlemlere tâbi tutulanlara kıyasla,
grafenle birbirine bağlanmış elektrotlar üzerindeki elektrikle uyarılmış hücreler, artan bir
parakrin aktivitesi ve hücresel farklılaşma göstermektedir[14]. Kenry ve ekibinin [14]
yaptıkları incelemede bir önceki çalışmayı baz alarak; potansiyel olarak, periferik sinir
dokusunun üretiminde kök hücrelerin in vivo farklılaşmasını manipüle ederek sinir
hücrelerinin büyümesini elektriksel olarak uyarabilen esnek, motifli grafen elektrotların
daha ileri uygulamaları olarak, implante edilebilir nöral ağ devreleri geliştirilebileceğini
önermişlerdir.
3.2.4 Deri Dokusu Rejenerasyonu
Deri, insan vücudunun bariyeridir ve dışarıdan gelecek tehlikelere karşı koruyucu tabaka
görevi görmektedir. Fonksiyonu nedeniyle deri yanıklar, ülserler, yaralar veya yırtılmalar
gibi çok sayıda travmatik saldırılarla karşılaşabilmektedir. Deri iki katmandan oluşur:
epidermis ve dermis. Her iki tabakanın farklı iyileşme süreleri ve mekanizmaları vardır.
Travma vakalarının büyük bir çoğunluğunda deri, yara dokusu ile iyileşir. Nanoteknoloji
araştırmaları cildin yenilenmesi ve fizyolojik görünümünün yeniden kazanılması için bir
potansiyel oluşturmaktadır. İskele oluşumu tüm doku mühendisliği alanlarında olduğu
gibi deri yenilenmesi için de gereklidir [35]. Deri dokusu onarımında yer alan yetişkin
kök hücreler ise epidermal kök hücreler, kemik iliğinden türetilmiş mezenkimal kök
hücreler (BMSC), adipoz türevli kök hücrelerdir (ADSC). Bu hücreler, kaybolan
hücrelerin yerini almak için yara bölgesine göç eder, yaranın yeniden epitelizasyonuna
yardımcı olur ve yara iyileşmesini daha da arttıran faktörleri serbest bırakır.
Kök hücreler, esneklik ve nüfuz edebilmesine dayalı olarak biyomalzeme ile etkileşime
girer. Epidermal hücrelere (ektodermden türetilen) kök hücre farklılaşması, düşük elastik
modüle (<0.1 MPa) sahip iskeleleri tercih etmektedir. Trappmann ve diğ. [47] kollajen
Tip-1 dahil edilmiş polidimetilsiloksan (PDMS) ve poliakrilamid (PAA) hidrojelleri, 0.1
kPa ila 2.3 MPa aralığında değişen sertliklerde hazırlamıştır. Epidermal kök hücreler
tamamen PDMS iskele üzerine yayılırken sertlikten bağımsız olarak kortikal F-aktin
hücre iskeleti oluşturmuştur. Lokalizasyon analizi PAA kollajenin daha derine nüfuz
etmesine izin verirken PDMS ise yüzeyde sınırlayarak, nüfuz edebilmesinin önemini
açığa çıkarmaktadır. Böylece, hücre yayılımı, ECM'nin daha sert, daha kısa sabitleme
mesafesinde arttırılmışken, hücre farklılaşması ise yüksek gözenekliliğe sahip olan daha
yumuşak iskelelerde artmaktadır [48].
34
Nanofiberin doku mühendisliği için bir iskele olarak kullanılmasında son zamanlardaki
artış kök hücre taşınımında da yerini bulmuştur. Sundaramurthi ve diğ. [49] biyouyumlu
ve biyobozunur olduğu ve dermal fibroblastlar, keratinositler, mezenkimal kök hücrelerin
büyümesini desteklediği için, sentetik bir polimer olan, poli(3-hidroksibutirat-ko-3-
hidroksivalerattan) (PHBV) elektro-eğirme ile ürettikleri nanofiberleri kullanmışlardır.
Nanofiberlerin etkisi MSC'lerin epidermal soya farklılaşmasını teşvik ettiği filaggrin ve
involucrin gen ekspresyonuyla onaylanmaktadır. Sethuraman grubu [50], in vitro olarak
derinin yenilenmesini ölçmek için normal insan derisinin gerilme mukavemetine sahip
nanofiberler oluşturmak için biyobozunur kitosanın farklı bir karışımını kullanmışlardır
[40].
Benzer şekilde nanoteknolojinin yara iyileşmesinde de faydaları bulunmaktadır. Jelatin
ve poli(l-laktik asit)-ko-poli(ε-kaprolakton) ile üretilen nanofibröz iskelelerin fibroblast
büyümesi ve proliferasyonunda başarılı olduğu gösterilmiştir. Fibroblast büyüme
faktörleri de dahil edilerek nanofiberlerin elektro-eğirme ile üretilmesiyle zamanla kronik
hale gelebilen yaraların üzerine büyüme faktörlerinin uygulanması sonucu, farelerde
yapılan deneylerde anjiyogenez ve epitelizasyonun sağlanması ile birlikte iyileşme
oranını arttırdığı bulunmuştur [35].
3.2.5 Diğer Dokuların Rejenerasyonu
Günümüzde her ne kadar kemik ve sinir dokularının rejenerasyonu için uygulanabilir
nanomateryal-kök hücre etkileşimleri üzerine olan araştırmalar diğer dokulara kıyasla
oldukça fazla miktarda da olsa, karaciğer [51], mesane [52], kalp [53], kas [54], tendonlar
[55] ve hatta göz [56] hasarlarının iyileşmesinde ve rejenerasyonunda nanomateryal
iskelelerin kullanıldığı çalışmalar mevcuttur.
Kas dokusunda spor aktivitelerinden veya kazalardan dolayı travmatik yaralanmalar
meydana gelebilmekte ve bu yaralanmalar kas kasılmasını engelleyebilmektedir.
Yaralanmalar sonucu iskelet kaslarında yırtılmalar veya periferik sinir sistemi hasarları
oluşabilir, bunlardan dolayı da kas işlevlerini yerine getiremez. Kasın iyileşmesi sırasında
yara dokusu oluşur ve bu da kasın fonksiyonuna engel oluşturur. Bundan dolayı da
iskeleler, kas hücrelerinin uzamasını, kaynaşmasını, oryantasyonunu ve çizgili hale
gelmesini tetiklemelidir [5]. McKeon-Fisher ve Freeman [54], elektro-eğirme yöntemi ile
üretilmiş PLLA iskeleye farklı oranlarda altın nanopartiküller (AuNP) karıştırarak üç
35
farklı kompozit iskele (AuNP oranları %7, %13 ve %21 olacak şekilde) üretmiş ve iskelet
kas dokusu için karakterizyonunu incelemiştir. İskelelerin elektrik iletimleri AuNP
oranıyla artmaktadır. Fakat her üç iskelede de düşük hücre proliferasyonu görülmüştür.
Bunun sebebi AuNP’lerin toksisitesi nedeniyle değil de myotüp
1
farklılaşması ve
kaynaşmasında dolayıdır [5]. Kas dokusu, özellikle çizgili kaslar, belli bir düzende
bulunmaktadır. Bu nedenle kas doku rejenerasyonu için düzenli bir şekilde dizilenmiş ve
iskelet kaslarını taklit eden bir iskele kullanılması önemlidir. Mesela, Cooper ve ark. [57]
hizalanmış kitosan-PCL nanofibröz iskeleyi elektro-eğirme ile hazırlayarak, fiber
hizalanmasının kas hücrelerinin organizasyonu ve farklılaşmasındaki etkilerini
incelemiştir. Hizalanmış nanofiberler, kas hücrelerinin proliferasyonunu arttırmış ve
myotüp uzamasını ve anizotropik olarak yönelmesini teşvik etmiştir. Ayrıca bu
hizalanmış kitosan-PCL nanofiber iskelenin farklılaşma-spesifik genlerle, troponin T ve
myosin ağır zincir ile, kas hücrelerinin farlılaşmasını desteklediği bulunmuştur [58].
Karaciğer vücut için hayati öneme sahip organlardan biri olarak, metabolizmada ve
sindirimde, detoksifikasyon veya safra üretimi gibi önemli işlevlere sahiptir.
Zenobiyotiklere
2
yüsek miktarda maruz kalması karaciğeri oldukça kırılgan hale getirir
ve bundan dolayı viral enfeksiyonlar, toksik yaralar, alkolik yaralar genetik hastalıklar
gibi çeşitli koşullar kronik veya akut karaciğer hastalıklarına sebebiyet vermektedir [19].
Yapılan çalışmalarda kök hücre kaynağı olarak mezenkimal kök hücreler sıklıkla
kullanılarak hepatositlere farklılaşmaları incelenmiştir. Yalnız, insan MSC’lerin hepatik
soya ait hücrelere transdifferansiye olabilmesi osteoblastlara veya kondrositlere
farklılaşmasından daha da zordur. Bundan dolayı da bu transdifferansiyasyon prosesi
DEX, sodyum bütirat, nikotinamid ve hepatosit büyüme faktörü (HGF), epidermal
büyüme faktörü (EGF) gibi bazı destekleyicilere ihtiyaç duymaktadır. Nanofiberlerin
topolojik özellikleri sayesinde Baharvand [59], indükleyici biyo-ajanlarında yardımıyla
ticari olarak hazır bulunan Ultra-Web™ nanofiber iskeleyi kullanarak mezenkimal kök
hücrelerden hepatosit benzeri hücrelerin oluşmasını arttırmıştır [40].
1
Gelişim aşaması sırasında miyoblastların füzyonu ile oluşan bir iskelet kas lifi; çevresinde birkaç
miyofibril oluşur ve merkezi çekirdek nükleus ve sarkoplazm tarafından işgal edilir, böylece lif borusal bir
görünüme sahip olur.
2
Belirli bir biyolojik sisteme yabancı bir kimyasal bileşik. Hayvanlar ve insanlar ile ilgili olarak,
zenobiyotikler ilaçlar, ilaç metabolitleri ve vücut tarafından üretilmeyen kirleticiler gibi çevresel
bileşikleri içerir.
36
Kalp-damar hastalıkları dünya çapındaki ölümlerin önde gelen nedenlerinden biridir.
Amerika Birleşik Devletleri’nde yaklaşık 80 milyon birey, bir ve daha fazla kalp-damar
hastalığına sahiptir. Özellikle kalp krizi, kalp yetmezliği veya kalple ilgili bozukluklarının
ana etmenidir. Önceleri, kalp krizini tedavi etmek için trombolitik tedavi
1
veya cerrahi
koroner arter baypas uygulanmaktaydı, ancak bu tedaviler kardiyak doku
rejenerasyonunu oldukça az miktarda desteklemekteydi. Kalp krizi, kalbe kan
sağlanmasının azalması ile karakterize edilir ki bu da kardiyak hücre ölümü, ventriküler
arıza, doku hasarı ve kalp yetmezliği ile sonuçlanmaktadır. Bu yüzden kalp krizinin
başarılı bir tedavisi; ölen hücrelerin kurtarılması, kan damarlarının onarılması ve kardiyak
dokunu yeniden oluşmasına bağlıdır. Şimdiye kadar iPSC, ESC, MSC veya kardiyak kök
hücreleri (CSC’ler) gibi çeşitli kök hücre türleri hasarlı kalbin onarımı için kullanılmıştır.
ESC ve iPSC’ler pluripotent olmalarından dolayı ideal hücre kaynaklarıdır ve her iki
hücre türü de yaralı kalp kasına implante edildiğinde etkili bir şekilde işlevsel
kardiyomyositlere farklılaşmaktadırlar. Ancak, ESC’lerin etik sorunlarından ve
iPSC’lerin ise üretim verimliliklerinin henüz oldukça düşük olmasından dolayı
kullanımları sınırlanmaktadır. Kardiyak kök hücreler de mükemmel kardiyak farklılaşma
potansiyellerinden dolayı kalp hasarlarının onarımında hücre kaynağı olarak
kullanılabilmesi için ilgileri üzerine çekmiştir. Fakat CSC’lerde de NSC’lerde olduğu
gibi, oldukça düşük miktarlarda bulunmaktadır ve bu hücrelerin elde edilmesindeki
zorluklar klinik uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu sırada MSC’lerin kalp krizinin
tedavisinde kullanılması yoğun bir şekilde incelenmektedir. MSC’lerin kalp hücrelerine
faklılaşması diğer kök hücre kaynakları ile karşılaştırıldığında düşükte olsa, hastadan elde
edilmesinin ve ex vivo olarak çoğaltılmasının, sonrasında ise otolog olarak
kullanılmasının kolaylığı, bu kök hücreleri kardiyak doku rejenerasyonu için potansiyel
hücre kaynağı yapmaktadır [60]. Kim ve ark. [61] doğal myokardiyal matrisin yapısal
özelliklerini taklit edebilen, nanotopografik olarak tanımlanmış polietilen glikol (PEG)
hidrojellerinin CSC’lerin adezyonunu, göçünü ve proliferasyonunu artırabileceğini
göstermiştir. Kök hücrelerin ekildiği anizotropik PEG iskelelerin implantasyonuyla,
kalbin ekstrasellüler matrisini taklit eden nanoyapılardan dolayı konak doku ile kaynaştığı
görülmüştür. Ayrıca, nano-desenli PEG iskele, transplante edilen CSC'lerin tutulmasını
1
Trombolitik tedavi olarak da bilinen tromboliz, kan damarlarındaki tehlikeli pıhtıları çözmek, kan akışını
iyileştirmek ve doku ve organlarda hasarı önlemek için kullanılan bir tedavidir.
37
ve büyümesini önemli ölçüde geliştirmiştir. Kang ve diğ. [62] ise, hizalanmış fibronektin-
immobilize edilmiş PCL nanofiberler üzerinde MSC'leri kültürleyerek, bu hücrelerin
anjiyojenik ve kardiyo-koruyucu genlerin artmış ifadesini sergilediğini göstermiştir.
Burada, anizotropik fibronektin-immobilize edilmiş PCL nanofiberler üzerinde
kültürlenen MSC'lerin, doğal kalp dokusunda bulunan hizalanmış hücresel fenotipler
sergilediği gösterilmiştir. Ayrıca, fibronektin immobilizasyonu, MSC'lerde kök hücre
hedeflemesi, anti-apoptoz, anti-enflamasyon ve anjiyogenezde rol oynayan genlerin
ifadesini önemli ölçüde artırmıştır. Sonrasında ise, MSC ekilen anizotropik iskelelerin
implantasyonu, sıçan kalp krizi modelinde, kardiyak fonksiyonunu önemli ölçüde
iyileştirmiştir [60].
Şekil 3.5: Kardiyak doku mühendisliği için nanobiyomateryallerin nanotopografisinin
şematik gösterimi. Poli(glisidil metakrilat) (pGMA) ile kaplanmış hizalanmış
polikaprolakton (PCL) nanofiberler hazırlanır ve fibronektinler pGMA-PCL
nanofiberler üzerine immobilize edilir. Nanofiberler üzerine ekilen MSC'ler, kalbin
doğal ekstrasellüler matrisinde bulunan hizalanmış hücresel fenotipler sergiler. Bir fare
kalp krizi modeline implante edilmiş MSCs ekilen fibronektin-immobilize hizalanmış
nanofibröz kalp yamaları daha iyi doku uyumluluğu gösterir ve kardiyak fonksiyonunu
önemli ölçüde geliştirir. (Ref. [60])
Nanomateryallerin Aşması Gereken Zorluklar ve Potansiyel Zararlı Etkileri
Bir nanomateryal iskelenin üzerine ekilen veya implante ettiğimiz dokudan veya
çevresinden hücre göçü ile iskeleye yapışan kök hücrelerin kaderini kontrol ederek
istediğimiz dokuyu yeniden yapılandırabilmek için bu iskelenin doğal mikroçevreye
38
mümkün olabildiğince benzemesi gerekmektedir. Ürettiğimiz bu sentetik mikroçevrenin,
nanomateryal iskelenin dirençli olması ve aynı zamanda kök hücre kaderini etkileyecek
bazı biyofiziksel ve biyokimyasal ipuçlarını ve/veya sinyalleri sağlayabilmesi
gerekmektedir. Bunun için iskelenin bazı gereksinimleri karşılaması önemlidir [14].
Öncelikle, kullanılacak nanomateryalin genel fizikokimyasal özelliklerinin ve kök hücre
ile nanomateryal arasındaki etkileşimleri etkileyen belirli mekanizmaların iyi bir şekilde
anlaşılması gerekmektedir. Bunun nedeni, bir kök hücrenin belirli bir hücre soyuna
yönelmesi ve hücrelerin canlılıklarını sürdürebilmeleri ağırlıklı olarak nanomateryalin
fizikokimyasal özelliklerine bağlıdır. İkinci olarak, daha önce de bahsedildiği gibi,
nanomateryal iskelenin doğal kök hücre nişine olabildiğince yakın olması gerekmektedir.
Bunun içinde, doğal ECM benzeri kompleks 3D iskelelerin fabrikasyonu ve
işlevselleştirilmesi gerekiyor. Ancak bu hiçte kolay bir adım değildir ve önemli
miktarlarda bilimsel ve teknik çalışma gerektirmektedir. Bu, doğal ECM ile iskelelerin
benzerliklerinin arttırılması için nano-fabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi ve
nanokompozit malzemelerin kullanılması artması gerekmektedir. Son olarak ise, birçok
çalışmada uygulanan veya geliştirilen nanomateryal iskelelerin çoğunlukla pozitif yönleri
ön plana çıkarılmış ve sağlığa olabilecek negatif etkileri yeterli miktarda
araştırılmamıştır. Makalelerde sıklıkla kök hücre farklılaşmasını veya proliferasyonu
arttıran, doku hasarının onarımını hızlandıran gibi pozitif etkiler vurgulanırken; hücre
membranı hasarı, DNA parçalanması, kromozom sapması veya oksidatif stres gibi negatif
etkiler gölgede kalmaktadır [14].
Daha önce de bahsedildiği gibi biyomalzemeler nano-boyutlarda üretildiklerinde makro-
boyutlardaki yığın özelliklerinden çok daha farklı fiziksel ve kimyasal özellikler
sergileyebilmektedirler. Bundan dolayı da FDA, üretilen nanomateryal iskelelerin ticari
olarak satılmalarına izin vermeden önce çok daha yoğun araştırmalar istemektedir. Yine
de nanoteknoloji oldukça yüksek miktardaki ilerlemeyi göreceli olarak çok daha kısa
sürede başardığından dolayı, her geçen gün medikal uygulama alanını genişletmektedir.
Bunun sonucu olarak da nanomateryallerin endüstriyel üretimleri başlamıştır. Mesela,
yeni kemik greftleri veya implant kaplamaları olarak üretilen ticari olarak hazır
nanoseramikler (örnek olarak, nano-HA yapışkan-Ostim™; nano-beta-trikalsiyum fosfat-
Vitoss™) bulunmaktadır. Fakat nanoboyutlardaki materyallerin doku mühendisliğinde
kullanımı oldukça yenidir ve henüz nanomateryallerin insan sağlığı ve çevre üzerine
etkileri tam olarak anlaşılamamıştır. Bunlar arasında özellikle, implante edilen
39
nanomateryallerin bozunmaları sonucu oluşan nanopartiküllerin toksik etkileri ve
CNT’ler içerisinde kalan ağır metaller (demir, nikel, kobalt katalizler) bildirilmektedir.
Nanopartiküllerin akciğerlerde, bağışıklık sisteminde ve diğer birçok organda hücresel
alımı raporlanmıştır. Bu şekilde, nanomateryallerin uzun vadeli toksikolojik profillerinin
ve biyouyumluluklarının titizlikle incelenmesi ve aydınlatılması gerekmektedir [14],
[30].
40
BÖLÜM 4
SONUÇ VE ÖNERİLER
Nanomateryal iskelelerin rejeneratif tıpta kullanılabileceğinin anlaşılması ve bu
iskelelerin hücresel davranışlara etkilerinin fark edilmesi, teknolojinin tarihi
düşünüldüğünde, oldukça yeni bir gelişmedir. Daha önceleri, nanomateryallerin
çoğunlukla biyomolekül taşıyıcı araçlar veya implantların doku ile uyumunu arttırmak
üzere kaplamalar şeklinde kullanımlarına ilişkin çalışmalar görülmektedir. Fakat
özellikle son 15 yıl içerisinde, nanomateryal iskelelerin kök hücre kaderine olan etkileri
üzerine yapılan çalışmalar ağırlık kazanmaktadır. Günümüzde doğal ekstrasellüler
matrisin kök hücre nişindeki rolü daha da aydınlatılmış ve doğal ECM’nin
nanoboyutlardaki yapısal özellikleri hakkındaki bilgi birikimi artmaktadır. Bu da doğal
ECM’yi benzersiz şekilde taklit edebilecek, insan sağlığına veya çevreye zarar
vermeyecek biyomateryal iskelelerin üretimini teşvik etmektedir.
Bu çalışmada kemik, kıkırdak, sinir, deri, karaciğer, kalp ve kas gibi doku ve organların
rejenerasyonu için yapılmış bazı in vitro veya in vivo çalışmalar incelenmiştir. Ayrıca
nanomateryal-hücre etkileşimleri sonucu hücresel davranışı etkileyen mekanizmalar ve
nanomateryallerin potansiyel zararları da incelenmiştir. İncelenen bazı çalışmaların
oldukça ilgi çekici ve umut verici bulguları bulunmaktadır. S.R. Das vd. [46] yapmış
olduğu esnek grafen elektrotları kullanarak, elektriksel uyarımlarla MSC’leri Schwann
hücresi benzeri hücrelere farklılaştırılması üzerine olan bu çalışma buna bir örnektir.
Buradaki ilgi çekici durum, herhangi bir kimyasal faktör kullanılmadan hücre
farklılaşmasının sağlanmasıdır. Bu da biyosinyal molekülü kullanılmadan, basitçe,
biyofiziksel bir uyarım veya uyarımların kombinasyonları ile istenilen dokuların
yenilenmesini ve onarımını sağlayan sistemlerin geliştirilmesi için bir umut olmaktadır.
Ancak benim bu tezi yazmadan önce yola çıktığım fikir; nanopartiküllerin aktif taşınım
mekanizmalarını kullanarak hasarlı dokuda birikmelerini sağlamak ve nanopartiküllerin
birikmesiyle birlikte bu bölgeye kök hücre göçünü ve daha sonrasında bu kök hücrelerin
çoğalarak uygun hücre soyuna farklılaşmalarını arttıracak biyofiziksel ve biyokimyasal
ipuçlarının sağlanması şeklindedir. Böyle bir sistemin geliştirebilmesi için öncelikle
cevaplanması gereken tonlarca soru bulunmaktadır ki bu soruların birçoğu sistemin
potansiyel negatif etkileri ve bu etkilerin nasıl azaltılabileceği üzerinedir. Yeterli
41
araştırma ile nanomateryal iskele-kök hücre etkileşimlerinin bir sonraki aşamasını bu tarz
sistemler oluşturabilir.
42
KAYNAKLAR
[1] Y. Luo, G. Engelmayr, D. T. Auguste, L. da S. Ferreira, J. M. Karp, ve R. Saigal,
Principles of Tissue Engineering. 2007.
[2] A. Jaklenec, A. Stamp, E. Deweerd, A. Sherwin, ve R. Langer, “Progress in the
Tissue Engineering and Stem Cell Industry ‘Are we there yet?’”, Tissue Eng. Part
B Rev., c. 18, sayı 3, ss. 155–166, Haz. 2012.
[3] N. Taniguchi ve Others, “On the basic concept of nanotechnology”, Proc. Intl.
Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Soc. Precis. Eng., ss. 18–23, 1974.
[4] A. C. Bean ve R. S. Tuan, “Stem Cells and Nanotechnology in Tissue Engineering
and Regenerative Medicine”, içinde Micro and Nanotechnologies in Engineering
Stem Cells and Tissues, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013, ss.
1–26.
[5] S. Martino, F. D’Angelo, I. Armentano, J. M. Kenny, ve A. Orlacchio, “Stem cell-
biomaterial interactions for regenerative medicine”, Biotechnol. Adv., c. 30, sayı
1, ss. 338–351, 2012.
[6] Ş. Y. GÜVEN, “Biyouyumluluk ve Biyomalzemelerin Seçimi”, Mühendislik
Bilim. ve Tasarım Derg., c. 2, sayı 3, ss. 303–311, 2014.
[7] M. Gümüşderelioğlu, “Biyomalzemeler”, Tübitak, 2002.
[8] E. Hasret, “Hidroksiapatit sentezi, karakterizasyonu ve adsorban özelliğinin
incelenmesi”, PhD Thesis. Fen Bilim. Enstitüsü, 2010.
[9] A. Bratt-Leal, R. Carpenedo, ve T. McDevitt, “Integration of Biomaterials into
{3D} Stem Cell Microenvironments”, içinde Biomaterials as Stem Cell Niche,
2010, ss. 45–59.
[10] J. B. Park ve J. D. Bronzino, “Biomaterials: Principles and Applications”, 2002.
[11] S. M. Willerth ve S. E. Sakiyama-Elbert, Combining stem cells and biomaterial
scaffolds for constructing tissues and cell delivery. Harvard Stem Cell Institute,
2008.
[12] A. A. Nissar, A. Martowirogo, ve P. M. Gilbert, “Targeting the stem cell niche
with regenerative biomaterials”, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., c. 20, sayı 4,
ss. 180–192, 2016.
[13] H. Chen, Y. Zeng, W. Liu, S. Zhao, J. Wu, ve Y. Du, “Multifaceted applications
of nanomaterials in cell engineering and therapy”, Biotechnol. Adv., c. 31, sayı 5,
ss. 638–653, 2013.
[14] Kenry, W. C. Lee, K. P. Loh, ve C. T. Lim, “When stem cells meet graphene:
Opportunities and challenges in regenerative medicine”, Biomaterials, c. 155, ss.
43
236–250, 2018.
[15] E. Engel, A. Michiardi, M. Navarro, D. Lacroix, ve J. A. Planell, “Nanotechnology
in regenerative medicine: the materials side”, Trends Biotechnol., c. 26, sayı 1, ss.
39–47, 2008.
[16] C. Yi, D. Liu, C.-C. Fong, J. Zhang, ve M. Yang, “Gold Nanoparticles Promote
Osteogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells through p38 MAPK
Pathway”, ACS Nano, c. 4, sayı 11, ss. 6439–6448, Kas. 2010.
[17] J. N. Tiwari, R. N. Tiwari, ve K. S. Kim, “Zero-dimensional, one-dimensional,
two-dimensional and three-dimensional nanostructured materials for advanced
electrochemical energy devices”, Prog. Mater. Sci., c. 57, sayı 4, ss. 724–803,
2012.
[18] M. Ramalingam, E. Jabbari, S. Ramakrishna, ve A. Khademhosseini, Micro and
Nanotechnologies in Engineering Stem Cells and Tissues. 2013.
[19] C. Zhao, A. Tan, G. Pastorin, ve H. K. Ho, “Nanomaterial scaffolds for stem cell
proliferation and differentiation in tissue engineering”, Biotechnol. Adv., c. 31, sayı
5, ss. 654–668, 2013.
[20] V. W. Wong, M. Sorkin, ve G. C. Gurtner, “Enabling stem cell therapies for tissue
repair : Current and future challenges”, Biotechnol. Adv., 2012.
[21] J. A. Thomson vd., “Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts.”,
Science, c. 282, sayı 5391, ss. 1145–7, Kas. 1998.
[22] B. Dionigi ve D. O. Fauza, Autologous Approaches to Tissue Engineering. Harvard
Stem Cell Institute, 2008.
[23] K. Takahashi vd., “Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and
adult fibroblast cultures by defined factors.”, Cell, c. 126, sayı 4, ss. 663–76, 2006.
[24] S. Y. Wong, J. Soto, ve S. Li, “Biophysical regulation of cell reprogramming”,
Curr. Opin. Chem. Eng., c. 15, ss. 95–101, 2017.
[25] Kshitiz vd., “Control of stem cell fate and function by engineering physical
microenvironments.”, Integr Biol, c. 4, sayı 9, ss. 1008–18, 2012.
[26] H. Huang, R. D. Kamm, ve R. T. Lee, “Cell mechanics and mechanotransduction:
pathways, probes, and physiology”, Am. J. Physiol. Physiol., c. 287, sayı 1, ss. C1–
C11, Tem. 2004.
[27] I. Armentano vd., “Multifunctional nanostructured biopolymeric materials for
therapeutic applications”, Nanostructures Nov. Ther. Synth. Charact. Appl., ss.
107–135, 2017.
[28] F. D’Angelo, R. Tiribuzi, I. Armentano, J. M. Kenny, S. Martino, ve A. Orlacchio,
“Mechanotransduction: Tuning Stem Cells Fate”, J. Funct. Biomater., c. 2, sayı 2,
ss. 67–87, Haz. 2011.
44
[29] C. Y. Wang, K. H. Zhang, C. Y. Fan, X. M. Mo, H. J. Ruan, ve F. F. Li, “Aligned
natural-synthetic polyblend nanofibers for peripheral nerve regeneration”, Acta
Biomater., c. 7, sayı 2, ss. 634–643, 2011.
[30] L. Zhang ve T. J. Webster, “Nanotechnology and nanomaterials: Promises for
improved tissue regeneration”, Nano Today, c. 4, sayı 1, ss. 66–80, 2009.
[31] G. Lalwani, Y. Talukdar, … J. R.-… in E. S., ve undefined 2013, “Micro)-. and)
Nanotechnologies To) Engineer Bone Regeneration”, Researchgate.Net.
[32] M. V. Jose, V. Thomas, Y. Xu, S. Bellis, E. Nyairo, ve D. Dean, “Aligned
Bioactive Multi-Component Nanofibrous Nanocomposite Scaffolds for Bone
Tissue Engineering”, Macromol. Biosci., c. 10, sayı 4, ss. 433–444, Nis. 2010.
[33] J. Meng vd., “Paramagnetic nanofibrous composite films enhance the osteogenic
responses of pre-osteoblast cells”, Nanoscale, c. 2, sayı 12, ss. 2565–2569, 2010.
[34] W. C. Lee vd., “Origin of Enhanced Stem Cell Growth and Differentiation on
Graphene and Graphene Oxide”, ACS Nano, c. 5, sayı 9, ss. 7334–7341, Eyl. 2011.
[35] U. Ozad, A. Cinpolat, G. Bektas, ve Z. Rizvanovic, “Improvement steps of plastic
surgery to tissue engineering by nanotechnology”, Nanostructures Nov. Ther.
Synth. Charact. Appl., ss. 409–427, 2017.
[36] S. Mukherjee, J. R. Venugopal, R. Ravichandran, M. Ramalingam, M. Raghunath,
ve S. Ramakrishna, “Nanofiber Technology for Controlling Stem Cell Functions
and Tissue Engineering”, içinde Micro and Nanotechnologies in Engineering Stem
Cells and Tissues, Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2013, ss. 27–
51.
[37] W.-J. Li vd., “A three-dimensional nanofibrous scaffold for cartilage tissue
engineering using human mesenchymal stem cells”, Biomaterials, c. 26, sayı 6, ss.
599–609, Şub. 2005.
[38] B. M. Baker, R. P. Shah, A. H. Huang, ve R. L. Mauck, “Dynamic Tensile Loading
Improves the Functional Properties of Mesenchymal Stem Cell-Laden Nanofiber-
Based Fibrocartilage”, Tissue Eng. Part A, c. 17, sayı 9–10, ss. 1445–1455, May.
2011.
[39] M. Faul, L. Xu, M. Wald, ve V. Coronado, “Traumatic brain injury in the United
States: emergency department visits, hospitalizations, and deaths.”, Centers Dis.
Control Prev., 2010.
[40] S.-T. D. Chueng, L. Yang, Y. Zhang, ve K.-B. Lee, “Multidimensional
nanomaterials for the control of stem cell fate”, Nano Converg., c. 3, sayı 1, s. 23,
2016.
[41] F. Gelain, D. Bottai, A. Vescovi, ve S. Zhang, “Designer Self-Assembling Peptide
Nanofiber Scaffolds for Adult Mouse Neural Stem Cell 3-Dimensional Cultures”,
PLoS One, c. 1, sayı 1, s. e119, Ara. 2006.
45
[42] M. Ryul vd., “Biomaterials Direct differentiation of human embryonic stem cells
into selective neurons on nanoscale ridge / groove pattern arrays”, Biomaterials, c.
31, sayı 15, ss. 4360–4366, 2010.
[43] C. Y. Tay, H. Gu, W. S. Leong, ve H. Yu, “Cellular behavior of
humanmesenchymal stemcells cultured on single-walled carbon nanotube film.”,
Carbon N. Y., c. 48, ss. 1095–1104, 2012.
[44] N. Kam, E. Jan, ve N. Kotov, “Electrical stimulation of neural stem cells mediated
by humanized carbon nanotube composite made with extracellular matrix protein”,
Nano Lett., c. 9, sayı 1, ss. 273–278, 2008.
[45] S. Shah, P. T. Yin, T. M. Uehara, S.-T. D. Chueng, L. Yang, ve K.-B. Lee,
“Guiding Stem Cell Differentiation into Oligodendrocytes Using Graphene-
Nanofiber Hybrid Scaffolds”, Adv. Mater., c. 26, sayı 22, ss. 3673–3680, Haz.
2014.
[46] S. R. Das vd., “Electrical Differentiation of Mesenchymal Stem Cells into
Schwann-Cell-Like Phenotypes Using Inkjet-Printed Graphene Circuits”, Adv.
Healthc. Mater., c. 6, sayı 7, s. 1601087, Nis. 2017.
[47] B. Trappmann, J. Gautrot, J. Connelly, D. S.-N. materials, ve undefined 2012,
“Extracellular-matrix tethering regulates stem-cell fate”, nature.com.
[48] P. S. Korrapati, K. Karthikeyan, A. Satish, V. R. Krishnaswamy, J. R. Venugopal,
ve S. Ramakrishna, “Recent advancements in nanotechnological strategies in
selection, design and delivery of biomolecules for skin regeneration”, Mater. Sci.
Eng. C, c. 67, ss. 747–765, 2016.
[49] D. Sundaramurthi, U. M. Krishnan, ve S. Sethuraman, “Epidermal Differentiation
of Stem Cells on Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)
Nanofibers”, Ann. Biomed. Eng., c. 42, sayı 12, ss. 2589–2599, Ara. 2014.
[50] B. Dhandayuthapani, U. M. Krishnan, ve S. Sethuraman, “Fabrication and
characterization of chitosan-gelatin blend nanofibers for skin tissue engineering”,
J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater., s. n/a-n/a, 2010.
[51] S. Kazemnejad vd., “Biochemical and molecular characterization of hepatocyte-
like cells derived from human bone marrow mesenchymal stem cells on a novel
three-dimensional biocompatible nanofibrous scaffold”, J. Gastroenterol.
Hepatol., c. 24, sayı 2, ss. 278–287, Şub. 2009.
[52] H. Tian, S. Bharadwaj, Y. Liu, P. X. Ma, ve A. Atala, “Myogenic Differentiation
of Human Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells on a 3D Nanofibrous Scaffold
for Bladder Tissue Engineering”, Biomaterials, c. 31, sayı 5, ss. 870–877, 2010.
[53] H. Hosseinkhani, M. Hosseinkhani, S. Hattori, R. Matsuoka, ve N. Kawaguchi,
“Micro and nano-scale in vitro 3D culture system for cardiac stem cells”, J.
Biomed. Mater. Res. Part A, c. 94A, sayı 1, ss. 1–8, Tem. 2010.
[54] K. D. McKeon-Fischer ve J. W. Freeman, “Characterization of electrospun poly(L-
46
lactide) and gold nanoparticle composite scaffolds for skeletal muscle tissue
engineering”, J. Tissue Eng. Regen. Med., c. 5, sayı 7, ss. 560–568, Tem. 2011.
[55] Z. Yin vd., “The regulation of tendon stem cell differentiation by the alignment of
nanofibers The present study is the first demonstration that an”, Elsevier, s. 2009,
2009.
[56] J. Gu vd., “Electrospun chitosan-graft-poly (&epsilon;-caprolactone)/poly
(&epsilon;-caprolactone) nanofibrous scaffolds for retinal tissue
engineering”, Int. J. Nanomedicine, s. 453, 2011.
[57] A. Cooper, S. Jana, N. Bhattarai, M. Z.-J. of materials, ve undefined 2010,
“Aligned chitosan-based nanofibers for enhanced myogenesis”, pubs.rsc.org.
[58] T. Jiang, M. Deng, R. James, L. S. Nair, ve C. T. Laurencin, “Micro- and
nanofabrication of chitosan structures for regenerative engineering”, Acta
Biomater., c. 10, sayı 4, ss. 1632–1645, 2014.
[59] A. Piryaei, M. R. Valojerdi, M. Shahsavani, ve H. Baharvand, “Differentiation of
Bone Marrow-derived Mesenchymal Stem Cells into Hepatocyte-like Cells on
Nanofibers and Their Transplantation into a Carbon Tetrachloride-Induced Liver
Fibrosis Model”, Stem Cell Rev. Reports, c. 7, sayı 1, ss. 103–118, Mar. 2011.
[60] J. Han, J. Park, ve B. S. Kim, “Integration of mesenchymal stem cells with
nanobiomaterials for the repair of myocardial infarction”, Adv. Drug Deliv. Rev.,
c. 95, ss. 15–28, 2015.
[61] D.-H. Kim vd., “Nanopatterned cardiac cell patches promote stem cell niche
formation and myocardial regeneration”, Integr. Biol., c. 4, sayı 9, s. 1019, 2012.
[62] B. J. Kang vd., “Umbilical-cord-blood-derived mesenchymal stem cells seeded
onto fibronectin-immobilized polycaprolactone nanofiber improve cardiac
function”, Acta Biomater., c. 10, sayı 7, ss. 3007–3017, 2014.
