Çok eski zamanlarda insan hayat›için en büyük tehlike vahfli hayvan-lar ya da do¤al afetlerdi. Vahfli ke-dilerden kurtulmay› baflarabilenler,bazen afl›r› so¤uklara bazen de afl›-r› s›caklara yeniliyorlard›. De¤iflendo¤a koflullar›na ba¤l› olarak yiye-cek s›k›nt›s› çeken insan, zaman›-n›n ço¤unu yiyecek bulmak içinmücadeleye ay›r›yordu. ‹lk insan›nen temel düflüncesi hayatta kalabil-mek ve neslini devam ettirebilmek-ti. Günümüzde, ilk insan›n çekti¤is›k›nt›lar›n ço¤u bize çok uzak ge-lebilir. Ancak insan›n temel düflün-cesi, çok fazla de¤iflikli¤e u¤ram›flgörünmüyor; yani mümkün oldu-¤unca hayatta kalabilmek ve türünüdevam ettirmek. Bütün bu çabalarbelki de insan›n ölümsüzlü¤e ulafl-mak için verdi¤i bilinçalt› bir müca-deleyi yans›t›yor. Vahfli hayvanlar,do¤al afetler halen can almaya de-vam etse de, günümüzde insan öm-rünü k›saltan en önemli unsurlaryafllanma, kronik hastal›klar, organyetmezlikleri ve kanser. Bunlara ekolarak insan›n kendi yaratt›¤› tek-noloji de bazen can düflman› olarakkarfl›s›na ç›kabilmekte. Son y›llarda bilimdeki tüm ilerleme-lere karfl›n birçok hastal›¤›n kesinçözümü bulunamad›. Milyonlarcay›ll›k insanl›k tarihinde oldukça k›-sa say›labilecek 100 y›l öncesiylek›yasland›¤›nda bile, insan ömrün-de önemli bir uzama sa¤land›. An-cak halen bilimin hedefledi¤i nokta-dan oldukça gerideyiz. Telomerlerinher hücre bölünmesinde k›salmas›,belirli bir bölünmeden sonra hücre-lerin durmas› ve programlanm›flhücre ölümü, insan ömrünü belirle-yen moleküler saatlerce

denetleniyor. Moleküler biyoloji vegen mühendisli¤inde yap›lan tümilerlemelere karfl›n organlar›n yafl-lanmas› engellenemiyor. Hiçbir has-tal›¤a yakalanmasa bile organlar,baflta beyin olmak üzere zamaniçinde ifllevlerini yitirerek ölüyorlar.Bu tür do¤al hücresel de¤iflikliklerehastal›klar eklendi¤inde vücudumu-zun ifli oldukça zorlafl›yor. Kronikböbrek hastal›klar›, kalp yetmezlik-leri ve çeflitli nörolojik hastal›klarinsan ömrünü k›saltan nedenlerinyaln›zca birkaç›. Organ yetmezlikle-ri ya da kanser gibi hastal›klar›n te-meline inilerek nedene yönelik te-davi verilmesi, di¤er hedeflerdenbiri. Ancak, birçok hastal›¤›nnedeninin bilinmemesi ya da mey-

dana gelen hücresel de¤ifliklikleringeri dönüflünün olmamas›, bu türtedavileri k›s›tlayan unsurlar. Baz›hastal›klar, organ tümüyle iflleviniyitirene kadar anlafl›lmayabiliyor.Bu gibi durumlarda ilaç tedavisi ye-tersiz kal›yor ve organ›n de¤iflmesitek çözüm haline geliyor. Baz› kan-ser türlerinde genetik tedavi yön-temleri deneysel aflamada oldukçabaflar›l› sonuçlar verse de, her kan-ser türünde genetik tedavi yaral› ol-muyor. Birçok kanserdeyse genetikneden saptanabilmifl de¤il. Organla-r›n ifllevlerini yitirmesine ya da öl-mesine neden olan kanser türleri-nin bir k›sm›nda, organ›n de¤iflme-si hayat kurtarabiliyor. Baz› karaci-¤er kanserlerinde oldu¤u gibi. ‹laç

Yapay or

2 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

tedavilerinin yetersiz kald›¤› durum-larda eskiyen ya da hastalanan or-ganlar› yenileriyle de¤ifltirmek, eskiM›s›rl›lar zaman›ndan beri var olanbir düflünce. Yaklafl›k 50 y›l önceDr. Murray’in ilk baflar›l› böbreknaklini yapmas›ndan sonra, organnakilleri hastal›klar› iyilefltirmedeinsan›n en önemli umudu halinegeldi. Doku uyuflmazl›¤›na ba¤l›olarak organ›n reddi, her an uygunverici bulunamamas› ve nakil sonra-s›nda kullan›lan ilaçlar›n ciddi yanetkileri, bu tedavi fleklinin önünde-ki en büyük engeller. Genetik bilimindeki geliflmelere pa-ralel olarak son y›llarda doku vegen mühendisli¤inde önemli gelifl-meler kaydedildi. Art›k hücreleringenetik yap›s›nda de¤ifliklikler yara-t›labiliyor, gen transferi sayesindebakterilere insan proteinleri sentez-letilebiliyor. Bu teknolojiler,yaln›zca hastal›klar› tedavi etmekamaçl› de¤il. Tar›m sektöründe degen mühendisli¤inden yaralan›l›yor.Baz› bitkiler, genetik yap›lar› de¤ifl-tirilerek, bozulmaya ya da böcekle-re karfl› daha dirençli halegetirilebiliyorlar. Elde edilen ürü-nün daha verimli ve daha besleyiciolmas› sa¤lanabiliyor.Gen ve doku mühendisli¤i sayesin-de, çeflitli organik moleküller kulla-narak istenilen hücre türünü labo-ratuvar koflullar›nda üretmek de ar-t›k mümkün. Hasarl› dokulara veri-len büyüme faktörleri, sa¤l›kl› hüc-relerin ço¤alarak ölü hücrelerin ye-rini almalar›n› sa¤layabiliyor. Büyü-me faktörlerini enjekte etmek yeri-ne sa¤lam hücreleri hasarl› bölgeyegöndermek de di¤er bir yöntem.Yapay olarak üretilen hücrelerin vü-

cuda naklinden sonra, bu hücrelerhasarl› hücrelerin yerini alabiliyor.Yapay hücrelerin hasarl› bölgeyeulaflarak ço¤almalar› ve normal ifl-levlerine kavuflmas› için belirli birzaman dilimine gerek oluyor. Butür tedavi yöntemleri, ifllevini yitir-mifl hücrelerin tedavisi için önemlibir umut kayna¤›; ancak organ›ntümünün bu flekilde yenilenmesi,henüz baflar›labilmifl de¤il. Halen üzerinde yo¤un olarak çal›fl›-lan tedavi yöntemlerinden biri de,kök hücrelerden üretilen doku hüc-relerinin nakli. Tüm hücre türlerinedönüflme potansiyelinde olan kökhücrelerden, belirli büyüme hor-monlar› kullan›larak istenilen hücretürü elde edilebiliyor. Laboratuvarortam›nda elde edilen bu hücreleroldukça h›zl› ço¤alma kapasitesinesahip. Bu hücreler hastal›kl› organaulaflt›r›larak, ifllevini yitirmifl ya daölmüfl olan hücrelerin yerini alma-lar› sa¤lanabiliyor. Ancak, tümüyleölen ya da ifllevini yitiren organla-r›n, kök hücreleri kullan›larak tü-müyle yeniden canland›r›lmas› ko-lay görünmüyor. Kültür ortam›ndaüretilen sinir ya da kalp kas› hücre-leri vücuda nakledildiklerinde, k›sasürede hastal›kl› bölgeye giderekifllevini yitirmifl olan hücrelerin yeri-ni al›yorlar. Bu sayede zedelenmiflsinirler, ya da ölü kalp hücreleri ye-nileriyle de¤ifltirilmifl oluyor.Gen mühendisleri laboratuvarlardayaln›zca hücre üretmekle kalmay›p,organ›n benzerini de üretmeye çal›-fl›yorlar. Deneysel koflullarda art›kyapay olarak 3 boyutlu organlaroluflturulabiliyor. Tüm organlar he-nüz üretilemese de, çal›flmalar›nöncül sonuçlar› oldukça umut veri-

ci. Deri ve k›k›rdak gibi dokular›nyapay olarak üretilmelerinde önem-li ilerlemeler kaydedildi. Birkaç mi-limetre kal›nl›¤›ndaki dokular›noluflturulmas› ve yaflat›lmas›, art›kteknik olarak çok güç de¤il. Bu in-celikteki dokular›n, yaflamak içinkan damarlar›na ihtiyac› olmuyor.Besin maddeleri hücreler aras›ndans›zarak di¤er hücrelere ulaflabiliyor.Ancak daha kal›n doku ya da organyaratmak için yapay olarak kan da-marlar›n› da oluflturmak gerekiyor.Son y›larda bilim adamlar› yapaydamar üretiminde de oldukçaönemli baflar›lar elde etti. Organ yetmezliklerine ba¤l› kronikhastal›¤› olan milyonlarca insan,nakil için organ s›ras›nda bekliyor.Nakil s›ras›nda bekleyen hastalar›nihtiyac›na yan›t verebilecek say›daorgan mevcut de¤il. Gen ve dokumühendisli¤indeki geliflmeler, or-gan kayna¤›n›n karfl›lanmas› aç›s›n-dan oldukça ümit verici. Yapay ola-rak gelifltirilen organlar, istenildi-¤inde ihtiyac› olan hastaya tak›labi-lecek. Belki de önümüzdeki 20-30y›l içinde istedi¤imiz organ› yenisiy-le de¤ifltirebilece¤iz. Organlar›m›zeskidikçe yenilenecek, böylece or-gan yetmezli¤ine ba¤l› ölümler en-gellenebilecek. Tabii bu tür düflün-celer henüz tam olarak hayata geçi-rilebilmifl de¤il. Hücrelerin genetikyap›lar›, kontrol mekanizmalar› vetüm yap›tafllar›n›n ifllevleri tam ola-rak bilinmiyor. Ancak teknoloji vegenetik bilimindeki geliflmeler saye-sinde bilinmeyen sorular›n yan›tlar›h›zla bulunuyor. Yak›nda her türlüorgan ve dokular›n üretildi¤i çiftlik-ler oluflturularak, insan ömrü bir-kaç kat daha uzat›labilecek.

3Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

rganlar

Yapay organ ya da dokular oluflturmak dokumühendisli¤inin en önemli hedefleri aras›nda. Buhedefe ulaflmak için kullan›lan birçok strateji var.Bunlardan biri, organ› insan vücudunda yenile-mek. Yani, hastalanan organ› ç›kart›p yenisiylede¤ifltirmek yerine, mevcut organ› oldu¤u yerdeyenileyip tedavi etmek. Vücuda verilen baz› mo-leküller sayesinde organlarda hücre bölünmesinive ço¤almas›n› sa¤lamak mümkün. “Büyüme fak-törü” denen ve çok say›da olan bu proteinyap›daki moleküller, insan vücudunda do¤al ola-rak bulunuyor ve hücreler taraf›ndansentezleniyorlar. Her birinin ayr› bir görevi var.Hücreler taraf›ndan sentezlenen ve protein yap›-s›ndaki bu moleküllerin her birinin ayr› görevivar. Baz› büyüme faktörleri deri hücrelerinin ço-¤almas›n› sa¤larken di¤erleri yeni damar oluflu-munu h›zland›r›yor. Vücut d›fl›nda yapay olarakelde edilen büyüme faktörleri hastal›kl› organlar-daki hücrelerin yenileriyle de¤ifltirilmesinde gö-rev yapabiliyor. Hedefe yönelik büyüme faktörüvücuda verildi¤inde, görev yapaca¤› organa gide-rek gerekli hücreler taraf›ndan alg›lan›yor. Hücreyüzeyindeki özel almaçlara yap›flarak bu hücrele-ri harekete geçiriyor. Hücrelerin bölünme ve ço-¤almas›n› tetikleyen bu moleküller sayesinde,hasta organdaki sa¤l›kl› hücrelerin say›s› artarakdi¤er hücrelerin yerini al›yor, yani organ› yenile-meye bafll›yor. Bu teknolojiyle, hasara u¤ram›flolan kas hücrelerini yenilemek mümkün olabili-yor. Henüz deneysel aflamada olan bu yöntemigelifltirerek, büyüme faktörleri sayesinde vücutta-ki hücreleri d›flar›dan yönetmek mümkün olabile-cek.

Doku mühendisli¤inde üzerinde çal›fl›lan te-davi yöntemlerinden bir di¤eriyse, laboratuvarkoflullar›nda sa¤l›kl› hücreleri üretip sonra dabunlar› vücuda vermek. Kifliden al›nan hücrelerözel deney ortamlar›nda, çeflitli büyüme faktörle-ri kullan›larak istenilen flekilde ço¤alt›labili-yorlar. Daha da ileri gidilerek, hücrelerin genetik

yap›s› de¤ifltirilebiliyor. Böylece hastal›kl› birhücre adeta ameliyat ediliyor. Vücut d›fl›nda üre-tilen sa¤l›kl› hücreler belirli bir say›da ço¤alt›ld›k-tan sonra vücuda tekrar geri veriliyorlar. Bu hüc-reler, ait olduklar› organa ya da bölgeye giderekyerlerini al›yor. Organa tutunduktan sonra bura-da h›zla ço¤alan hücreler, k›sa bir sürede görevyapmaya bafll›yorlar. Sa¤l›kl› hücrelerin say›s›artt›kça hastal›kl› hücrelerin yerini al›yor ve böy-lece organ yenileniyor. Bu tür tedaviler denemeaflamas›nda olsa da, elde edilen baflar›lar olduk-ça göz doldurucu. Bilim adamlar› deney ortam›n-da yarat›lan hasarl› kalp kas›n› ya da zedelenmifl

sinirleri bu yöntemle iyilefltirebiliyorlar. Son y›l-larda bu amaçla kök hücreler kullan›l›yor. Deneyortam›nda ço¤alt›lmas› daha kolay olan bu hücre-ler, istenilen hücre türüne de dönüfltürülebiliyor.Erkek sperm ve kad›n yumurta hücresinin birlefl-mesiyle meydana gelen embriyodan ilk 4 güniçinde al›nan hücreler, vücuttaki tüm hücrelerioluflturabilme kapasitesine sahip. Bu hücreler ge-rekli sinyaller verilerek kalp kas›, sinir ya da de-ri hücresine dönüfltürülebiliyorlar. Kök hücreleri-nin içine transfer edilen, kifliye ait DNA sayesin-de benzer genetik flifreye sahip hücreler elde edi-lebiliyor. Di¤er bir deyiflle, genetik flifresi de¤ifl-

4 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

Genetik ve moleküler biyoloji alan›ndaki tümilerlemelere karfl›n henüz hücrelerin nas›l olupda üç boyutlu bir yap› oluflturduklar›n› bilmiyo-ruz. Hücreler vücut d›flar›s›na ç›kart›l›p yapayolarak ço¤alt›ld›klar›nda belirli bir mesafeye, ge-nellikle içinde bulunduklar› kab›n s›n›rlar›na ka-dar ilerleyip duruyorlar. Hücre yap›s›nda de¤iflik-likler yap›larak s›n›rs›z büyümeleri bile sa¤lana-biliyor. Ancak bu hücreler, ait olduklar› organ›nüç boyutlu fleklini deney tüpünde alam›yorlar. ‹n-san karaci¤erinin bir k›sm› kesilerek ç›kart›ld›-¤›nda geri kalan hücreler ço¤alarak ilerliyor. Buhücre art›fl› organ›n orijinal flekli oluflana kadardevam ediyor. Daha güncel bir örnek vermek ge-rekirse, parma¤›m›z kesilip küçük bir deri parça-s› kalkt›¤›nda birkaç gün içerisinde di¤er hücre-ler ço¤alarak kaybolan hücrelerin yerini almayabafllar. Yara iyileflmesi olarak adland›r›lan bu sü-reç, parmak eski fleklini alana kadar devameder. Hücrelerin üç boyutlu flekil almas›n› sa¤la-yan kontrol mekanizmas› genetik flifrede sakl›.Bilim adamlar› bu flifreyi çözme yönünde önemlibir ad›m att›. Küçük bir kurtçuk olan C. elegansüzerinde yap›lan çal›flmalarda, hayvan›n üreme

organlar›n› flekillendiren gen bulundu. “GON-1”ad› verilen bu gen C. elegans’›n karmafl›k yap›-daki üreme organlar›n›n oluflumunu ve flekillen-mesini kontrol ediyor. Kurtçu¤un üreme organla-r›n›n oluflumu, ilk olarak dört hücrenin bir arayagelmesiyle bafll›yor. Bu hücreler “lider hücre”önderli¤inde flekillenmeye bafll›yorlar. Hücre ço-¤almas›n› takiben, üreme organ› “U” fleklindekiüç boyutlu halini al›yor. Bu flekillendirmeyi yöne-ten esas protein “GON-1”. Bu protein ve onukontrol eden genin keflfi, organ flekillerinin olu-flumunu anlamak yolunda çok önemli bir basa-mak olarak kabul ediliyor. Bu tür genlerin vekodlad›klar› proteinlerin anlafl›lmas› sayesinde,belki de çok yak›n bir gelecekte hücre kültürle-rinde üretilen hücrelerin üç boyutlu flekiller ka-zanmalar› sa¤lanabilecek. Bu tür gen ve protein-lerin, yaln›zca organa flekil vermekle kalmay›pkanser hücrelerinin tümör kitlesi oluflturmas›ndada etkili oldu¤u düflünülüyor. Bu genin bask›lan-mas› ya da kodlad›¤› proteinin bloke edilmesiyle,kanser hücrelerinin büyük kitleler oluflturmas›da engellenebilecek.

Organa fiekil Veren Gen.

Yapay

tirilerek kifliye özel hücre yap›labiliyor. Bu türhücreler vücuda nakledildikten sonra ba¤›fl›kl›ksistemi engeline de tak›lm›yorlar. Nakillerdensonra vücudun ba¤›fl›kl›k sisteminin hareketegeçmesi, organ›n ömrünü k›s›tlayan en önemli et-ken. Kendi genetik yap›s›ndan farkl› olan tümhücrelere karfl› savafl açan vücut, genellikle sava-fl› kazan›yor ve organ er ya da geç reddediliyor.Ancak gen transferi yap›lm›fl olan kök hücreler-den üretilen di¤er hücreler kiflinin kendi genetikflifresini tafl›d›¤› için vücut taraf›ndan reddedilmi-yorlar. Bu tür hücrelerin nakli sayesinde hastal›k-l› organlardaki ölü hücreler, yenileriyle de¤ifltiri-lebiliyor. Bu tedavi yöntemleri de henüz günlükklinik uygulamaya geçirilmifl de¤il. Hücre nakliyöntemi her hastal›¤a uygulanam›yor. Karaci¤eriçal›flmayan ya da kalp yetmezli¤indeki bir hasta-ya bu tür tedaviler pratikte yarar sa¤lamayabilir.Vücut d›fl›nda üretilen hücrelerin vücutta ço¤al›phastal›kl› hücrelerin yerini almalar›, belirli bir za-man süreci gerektirir. Bu tür hastalar›nsa genel-likle fazla zaman› olmayabilir. Bu durumlardaçok daha h›zl› sonuç verecek tedavi yöntemlerigerekebilir. En önemli yöntem, organ›n tümüylede¤ifltirilmesi. Organ nakillerinden sonra ba¤›fl›k-l›k sisteminin harekete geçmesine ba¤l› geliflenred cevab› hala büyük sorun olmaya devam edi-yor. Organ verici say›s›ndaki k›s›tl›l›k da buna ek-lendi¤inde, yapay organ oluflturmak en önemlihedeflerden biri haline geldi.

Son y›llarda yap›lan çal›flmalar, üç boyutlu or-gan oluflturma yönünde. Halen hücrelerin kendikendilerine nas›l üç boyutlu organ oluflturabildik-leri bilinmiyor. Test tüpünde hücrelere gereklisinyalleri vererek bir kalp elde etmek ya da kara-ci¤er oluflturmak henüz baflar›labilmifl de¤il. Ya-ni hücreler, test tüpünde vücutta olduklar›ndanfarkl› davran›yorlar. Hücrelerin üç boyutlu flekilalmalar›n›n ard›ndaki s›r perdeleri aralanmaklabirlikte, henüz mekanizma anlafl›labilmifl de¤il.Yapay organ üretmek için yaln›zca hücreleri ço-¤altmak yeterli olmuyor. Onlara organ›n fleklinivermek de önemli. Bunun için en s›k kullan›lanyöntemse organik iskeletlerden yararlanmay›içeriyor. Vücut içinde hücreleri bir arada tutan enönemli molekül “kollagen”. Hücreler aras›ndabulunan bu ve benzeri yap›tafllar› sayesinde, hüc-reler üç boyutlu organ ya da doku fleklinikoruyabiliyorlar. Kollagen, özellikle cilt, k›k›r-dak, damar ve kemik gibi dokularda bol miktar-da var ve insan vücudundaki tüm proteinlerinyaklafl›k %30’unu oluflturuyor. Bu gözlemden yo-la ç›kan bilim adamlar›, hücreleri bir arada tuta-bilecek yapay iskeletler oluflturdular. ‹stenilen fle-kilde oluflturulan bu iskeletin yap›tafllar› sentetikya da do¤al polimerler. Belirli bir süre sonra ken-dili¤inden eriyerek kaybolan bu malzemeler hüc-relerin yerleflip ço¤almalar› için oldukça uygunbir ortam sa¤l›yor. Hücre iskeletlerinin yap›taflla-r›, ayn› zamanda ameliyatlarda kullan›lan dikiflle-rin yap› maddesiyle benzer: polilaktik asit ya dapoliglikolik asit. Vücut içinde eriyerek zamanlakaybolan bu iskeletler içine çeflitli büyüme fak-

törleri de yerlefltirilebiliyor. Hücre iskeletlerininyap›tafl› olarak kollagen de kullan›labiliyor. Hüc-relerin büyümesi ve flekillenmesi için daha uygunbir ortam oluflturdu¤u düflünülen kollagen, olufla-cak olan üç boyutlu organ›n sa¤laml›¤›n› belirle-yici bir etken. ‹skelet üzerindeki büyüme faktör-leri, hücrelerin daha h›zl› ço¤almalar›n› sa¤l›yor.

Yap› iskeletlerinin jel k›vam›nda olanlar›, ra-hatl›kla vücut içine enjekte edilebiliyor. Enjekteedilen bu jeller, vücut içinde, doku hasar›n›n ol-du¤u bölgede sa¤l›kl› hücrelerin ço¤almas› içinuygun ortam› sa¤l›yor. Hasar görmüfl kemi¤in ye-niden oluflumunu sa¤lamak ya da yeni k›k›rdakdokusunun oluflmas›na yard›mc› olmak, bu türjellerin kullan›m amaçlar› aras›nda. Sa¤l›kl› hüc-reler belirli bir say›ya ulaflt›¤›ndaysa jel eriyerekkayboluyor. Üç boyutlu kat› k›vamdaki iskelet-lerse daha büyük organlar›n oluflturulmas›ndakullan›l›yorlar. ‹stenilen flekilde oluflturulan bu is-keletler üzerine yerlefltirilen hücreler, zamanlaço¤alarak iskeletin tamam›n› kapl›yorlar. Hücre-ler ço¤ald›ktan sonra, iskelet yüzeyinin fleklinial›yorlar. Bir süre sonra da iskelet eriyip kaybo-luyor. Böylece hücreler üç boyutlu bir flekil al›-yor. Hücrelerin ne flekilde ço¤alaca¤› ve ne hüc-resi olaca¤› çeflitli büyüme faktörleriyle kontroledilebiliyor. Ancak son y›llarda iskeletler üzerineyerlefltirilen DNA parçac›klar› sayesinde, çok da-ha baflar›l› sonuçlar al›n›yor. Büyüme faktörüyleyönlendirmek yerine esas olarak genetik flifreyikontrol etmek, çok daha iyi sonuç verebiliyor. ‹s-kelet üzerinde bulunan DNA parçac›klar› hücrelertaraf›ndan içeri al›narak genetik flifreylebütünlefltiriliyorlar. Bu sayede hücreye istenilenkomutlar dolayl› olarak de¤il, çok daha kesin ola-rak verilebiliyor.

Hücre yap› iskeletleri, hücrelerin ço¤al›p bü-yümeleri için gerekli besin maddelerini de depo-layabiliyorlar. Bu tür iskeleler birkaç milimetre-den birkaç santimetre kal›nl›¤a kadar elde edile-biliyor. Gözenekli bir yap›ya sahip olan iskelelet-rin tüm yüzeyi ve iç alanlar› hücrelerle doldu¤un-da, istenilen doku elde edilmifl oluyor. Bu yön-temle elde edilen yapay cilt, ABD’de FDA (G›dave ‹laç Dairesi - Food and Drug Administration)taraf›ndan onaylan›p piyasaya sürüldü. Cilt ve k›-k›rdak oluflturmak, büyük organ oluflturmaya gö-re daha kolay. Birkaç milimetre kal›nl›¤›ndaki do-kular›n, yaflamak için kan damarlar›na gereksini-mi olmayabiliyor. Ancak büyük organ oluflturmakiçin, yaln›zca büyük bir hücre kütlesi elde etmekyetmiyor. Örne¤in, yapay karaci¤er elde etmekiçin yaln›zca karaci¤er hücrelerinden oluflan biryumak yaratmak yeterli de¤il. Yapay organ›n ifl-levlerini yerine getirmesi ve hayatta kalabilmesiiçin mutlaka damar ve kanal sistemine ihtiyac›var. Son y›llarda yap›lan çal›flmalarla yapay da-mar elde etme yolunda önemli aflamalar kayde-dildi. Bilgisayar teknolojisi kullan›larak oluflturu-lan mikrotüplerin yap› iskeleti olarak kullan›-lmalar›yla art›k yapay damar elde edilebiliyor. Ya-pay damar çevresinde oluflturulan hücre topluluk-lar› çok daha uzun ömürlü oluyor.

Doku ve gen mühendisli¤i sayesinde yapayolarak karaci¤er, akci¤er, kalp kas›, kemik, derive böbrek oluflturulabiliyor. Henüz bu organlartam olarak orijinalinin yerini alabilecek kadar ge-liflmifl de¤il. Buna karfl›n yapay doku çal›flmalar›,nakillerde karfl›lafl›lan, uygun organ bulunama-mas› ve organ›n reddi gibi sorunlar› aflabilecekönemli bir seçenek olarak görünüyor.

5Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

Bilgisayarda döküman ya da flekilleri yazd›r-mak için kullan›lan ink-jet yaz›c›lar›n bask› ilkesi,üç boyutlu organ oluflumu için de geçerli. Bilgisa-yar yaz›c›s›, kartufl içindeki mürekkebi ka¤›t üze-rine belirli bir s›rayla püskürtür. Mürekkep püs-kürtülen noktalar ve boflluklar birleflti¤indeyse ya-z›lar ve iki boyutlu flekiller ortaya ç›kar. Ayn› ilke,dokular› oluflturmada da sözkonusu. Kartufl içinemürekkep de¤il, hücreler yerlefltiriliyor. Renkli ya-z›c›larda oldu¤u gibi de¤iflik renkler içeren kartufl-lar›n yerini, içinde de¤iflik hücre tipleri bulunankartufllar alabiliyor. Bilgisayar ortam›nda üç bo-yutlu resmi çizilen organa iliflkin bilgiler yaz›c›yayollan›yor. Bilgisayar, organ›n seri kesitsel görün-tülerini ç›kart›yor. Bu bilgiler eflli¤inde bask› bafl-lat›l›yor. Yaz›c›, mürekkep yerine hücre püskürtü-yor. Her hücrenin nereye püskürtülece¤i, organ›nflekline göre önceden programlanm›fl oluyor. Ka-¤›t yerine de organik ve kendili¤inden eriyebilenbir maddeden oluflmufl ince plakalar kullan›l›yor.

Özel olarak haz›rlanan bu plakalar hücrelerin ço-¤almas› için gerekli besin maddelerini ve büyümefaktörlerini de içeriyor. Her plaka üzerine, orga-n›n de¤iflik kesitlerini oluflturacak flekilde hücrelerpüskürtülüyor. Kesitlerin flekline göre nereye han-gi hücrenin püskürtülece¤i ya da neresinin bofl ka-laca¤›, bilgisayar taraf›ndan önceden belirlenmifloluyor. Plakalar üzerine püskürtülen hücreler ço-¤alarak birbiriyle birlefliyorlar. Böylece her plaka-da organ›n belirli bir kesiti hücresel olarak oluflu-yor. Sonraki aflamada bu plakalar kesit s›ras›nagöre üst üste konuluyor. Zaman içinde farkl› pla-kalardaki hücreler de birbiriyle birleflmeye bafll›-yorlar. Hücrelerin ço¤almas› ve birleflmesi tamam-land›¤›ndaysa organ, plakalar›n oluflturdu¤u iske-let çevresinde olufluyor. Birkaç hafta ya da ay için-de plakalar eriyerek kayboluyor ve üç boyutlu ya-pay organ ortaya ç›k›yor. Bu teknik sayesinde, bü-yük organlar› damar yap›lar›yla birlikte çok k›sasürede oluflturmak mümkün olabilecek.

Yapay Doku Oluflumunda Bask› Tekni¤i.

y Organ oluflturmak

Gen mühendisli¤inin yeni araflt›rma alan-lar›ndan biri de, yapay hücre üretimi. Üç bo-yutlu organlar› oluflturup insana nakletme-nin teknik zorluklar›na karfl›n yapay hücreoluflturmak baz› hastal›klar›n tedavisine pra-tik çözümler getirebilecek. Diyabet ve Par-kinson gibi hastal›klar, hücrelerin baz› mad-deleri yeterince üretememesine ba¤l› oluflu-yor. Bu tür hastal›klar›n tedavisinde eksikmaddenin vücuda verilmesi, hastal›¤›n teda-visi için yeterli olabiliyor. Yapay organ ve ya-pay doku üreten bilimadamlar›, yapay hücreüretmeye de bafllad›. Hücrelerin vücuttabirçok görevi olmas›na karfl›n birço¤u organya da dokulara çeflitli moleküllerin tafl›nma-s›na arac›l›k ediyor ya da baz› maddelerin sentez-lenmesini sa¤l›yor. K›rm›z› kan hücresinin doku-lara oksijen tafl›mas› ya da pankreas beta hücre-sinin insülin salg›lamas› gibi. Birçok hastal›k vü-cuttaki hücrelerin bu ve bezeri görevleri yerinegetirememesinden kaynaklan›yor. Vücuttaki hüc-reler görevlerini yapamay›nca bu hücrelerin yeri-ne ayn› görevi yapacak yapay hücreler göndermefikri, uzun süredir bilim adamlar›n› meflgul edenbir konu. Son y›llarda bu konuda önemli ad›mlarat›ld›. Yapay hücre sürecinin en önemli aflama-lar›ndan biri olan yapay hücre zar› oluflturuldu.Bu zarlar uygun ortamda kümeleflerek mikro kü-recikler oluflturuyor. Oluflturulan bu küreler ilkelhücre yap›s›na benziyor.

Yapay hücre zar›n› oluflturabilmek için bilimadamlar› ampifilik moleküller, yani bir ucu suyuseven di¤er ucu sudan kaçan moleküller kullan›-yor. Bu moleküller bir araya geldi¤inde suyu se-ven uçlar bir tarafa, sevmeyen uçlarsa di¤er tara-fa toplanarak çift katl› ince bir zar oluflturuyor.Çift katl› zarlar uygun ortamda, sudan kaçan uç-lar içeride, seven uçlar d›flar›da olacak flekildeküreler oluflturuyorlar. Bu kürelerin içine su gire-miyor. “Lipozom” ya da “polimerzom” olarak ad-land›r›lan bu küreler, birçok amaca hizmet edebi-liyor. Kürelerin d›fl yüzeylerine özel fleker mole-külleri ba¤lan›p “glikolipozom” elde ediliyor. Gli-kolipozomun d›fl yüzeydeki fleker molekülleri çe-flitli proteinleri tutabiliyor. Örne¤in virüslerin d›flkabu¤undaki baz› proteinler, bu flekerlere yap›fl›-yor. Virüslerin fleker moleküllerine ba¤lanmas›,glikolipozomun rengini de¤ifltiriyor. Böylece or-tamda virüs oldu¤unu anlamak mümkün oluyor.Glikolipozomlar sayesinde, halen tan›nmas› çokzor olan virüsleri saptamak mümkün olabilecek.Bu yöntem yaln›zca tan› amaçl› de¤il, tedaviamaçl› da kullan›labilecek. Glikolipozomlar›n yü-zeyindeki flekerlere yap›flarak bunlar› parçalama-ya çal›flan virüsler, esas hücreleri göremedi¤i içinbunlar› enfekte edemeyecek. Burundan püskürt-me (spray) yoluyla verilen glikolipozomlar virüs-leri flafl›rt›p hedeften sapt›racak ve bu sayedehastal›¤a yol açamayacak.

Yapay hücre zarlar›, romatizma hastal›¤›ndaoldu¤u gibi vücudun çeflitli iltihabi reaksiyonlar›-n› tedavi etmekte de kullan›labilecek. Vücudunherhangi bir yerinde hasar olufltu¤unda bu bölge-deki damarlarda fleker molekülleri için özel alg›-

lay›c›lar ortaya ç›kar. Kandaki beyaz hücrelerinyüzeylerinde bulunan flekerler bu alg›lay›c›laraba¤lan›r. Böylece hasarl› bölgede oldukça yo¤unbeyaz kan hücresi birikimi olur. Beyaz kan hüc-releri ve salg›lad›klar› moleküller, buradaki hasa-r› tamir etmeye çal›fl›rken belirli bir reaksiyonayol açarlar. Örne¤in, elimiz yand›¤›nda bu bölge-deki flifllik, k›zar›kl›k ve a¤r›, bu iltihabi reaksiyo-nun sonucu olufluyor. Ancak bu mekanizma herzaman gerekli bölgelerde harekete geçmiyor. Ro-matizmada oldu¤u gibi bazen vücut kendi yap›la-r›n› hasarl› zannedip onlara karfl› da reaksiyongelifltiriyor. Glikolipozomlar bu tür durumlardakullan›labiliyor. Glikolipozomun üzerindeki flekermolekülleri damarlardaki almaçlara ba¤lanarakbunlar› kapat›yor. Böylece, beyaz kan hücreleribu almaçlar› görmeyip pas geçiyor. Bu da iltiha-bi reaksiyonun oluflmas›n› engelliyor.

Yapay hücre zarlar› ve bunlardan üretilenmikroküreler, vücutta tafl›ma sistemi olarak kul-lan›labiliyor. Yapay küreler, vücutta elektrokim-yasal olaylar› ve kas›lmay› yöneten sodyum vekalsiyum gibi moleküllerin tafl›nmas›nda da kulla-n›l›yor. Gelifltirilen yeni bir yöntemde mikro kü-

relerin içine yerlefltirilen kalsiyum iyonlar›hücrelerin içine gönderilebiliyor. Mikroküre-lerin üzerindeki delikler, içine yerlefltirilen›fl›¤a duyarl› moleküller sayesinde aç›l›p ka-panabiliyor. Mikrokürelere ›fl›k uygulanarakkapaklar aç›l›yor ve kalsiyum d›flar› verili-yor, ›fl›k söndürülünce de kapaklar kapan›-yor. Bu yapay hücrelerin içine yaln›zca iyon-lar de¤il, oksijen ya da di¤er gerekli mole-küller de yerlefltirilebiliyor. NASA’n›n uzayyolculu¤u için yapt›¤› çal›flmalar s›ras›ndaüretilen ve “polimerzom” denen yapay hüc-reler, kan dolafl›m›nda hiçbir bozulmaya u¤-ramadan 18 saat dolafl›p hedefe ulaflabili-yorlar. Polimerzomlar ba¤›fl›kl›k sistemine

de yakalanm›yorlar. ‹nsan kan› ya da kutu kutuilaç yerine, oksijen ya da çeflitli ilaçlar› bunlar›niçine yerlefltirerek uzaya göndermek, oldukça bü-yük oranda yer tasarrufu da sa¤layacak.

Lipozom denen yapay kürelerin küçük parça-lara bölünmesiyle, çok say›da küreden oluflanbirimler yap›labiliyor. ‹ki plaka aras›nda s›k›flt›r›-lan mikroküreler yass›laflt›r›ld›ktan sonra, özelbir kesiciyle ikiye ayr›l›yor. Bir balon köpü¤ün-den iki küçük köpükcük oluflmas› gibi, lipozom-lar ayr›larak iki lipozom meydana geliyor. Sabunköpüklerinden farkl› olarak bu lipozomlar aras›n-da, bunlar› birbirine ba¤layan çok ince tünellerolufluyor. K›rm›z› kan hücresi küçüklü¤ünde üre-tilen bu mikrokürelerin aras›ndaki tüneller, 50mikron uzunlu¤unda ve bir saç telinin 1500’debiri inceli¤inde. Birçok lipozom bu fleklide birlefl-tirilerek mikroküre topluluklar› elde etmek müm-kün. Oluflturulan bu sistemler sayesinde çeflitligörevleri olan mikrofabrikalar meydana getirile-bilecek. Yapay hücre kümeleri ve doku elde et-mede önemli bir ad›m olarak görülen yapay hüc-re duvarlar›, belki de yapay organ üretmenin belkemi¤ini oluflturacak.

6 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

Yapay hücre

Bilimadamlar›, gerekli hormonlar›n ya daproteinlerin vücuda verilmesi için yeni bir yön-tem gelifltirdiler. Araflt›rmac›lar bu yolla gerekenilac› ya da proteini vücuda verebiliyor. Bu yön-temde hayvan ya da insan hücreleri kullan›labili-yor. ‹lk olarak, bu hücreler gen mühendisli¤i yar-d›m›yla istenilen hormon ya da proteini salg›laya-bilecek hale getiriliyorlar. Sentezlenmesi isteni-len proteini kodlayan gen, bu hücrelerin DNA’s›-yla bütünlefltiriliyor. Böylece, bu hücreler seriolarak belirli bir proteini üretebiliyorlar. Örne-

¤in, hücre DNA’s›na insülin hormonunu kodla-yan gen yerlefltirilerek o hücrelerin bol miktardainsülin üretmesi sa¤lan›yor. Sonraki aflamada buhücreler polimer bir kapsül içine yerlefltiriliyor.Bu kapsül sayesinde ba¤›fl›kl›k sistemi hücreleri-ne yakalanmadan istenilen bölgeye giderek gö-revlerine bafll›yorlar. Hücreleri saran polimerkapsül üzerindeki gözenekler sayesinde salg›la-nan protein ya da hormonlar hücre d›fl›na geçe-biliyor. Bu tür yapay hücreler yaln›zca protein yada hormon sentezlemek için kullan›lm›yor. Yapayhücrelerin içine yerlefltirilen ilaçlar da istenilenbölgeye gönderilebiliyor. Örne¤in, kanserin yolaçt›¤› fliddetli a¤r› durumlar›nda, içlerine beyin-deki morfin benzeri moleküllerden yerlefltirilenbu hücreler, merkezi sinir sistemine gönderili-yorlar. Yapay hücreler beyne ulaflt›klar›nda, içle-rindeki kuvvetli a¤r› kesici molekülleri yavafl ya-vafl salg›layarak a¤r›y› geçirebiliyorlar. Bu ilaçlarhenüz klinik uygulamaya geçmedi. Ancak sondönem kanser hastal›¤› olan gönüllülerde denen-me aflamas›nda.

Hücre Mühendisli¤i.

Dünyada milyonlarca insan organ yetmezli¤ininpençesinde ve bunlar›n ço¤u organ bulamadan ölü-yorlar. Organ ba¤›fl›yla sa¤lanan organlar, en ileri ül-kelerde bile bu hastalar›n ancak üçte birine yeterliolabiliyor. Ço¤uysa organ nakli s›ras›nda hayat›n›kaybediyor. Organ ba¤›fl› ve uygun organ›n bulunma-s› zorluklar› karfl›s›nda, bilimadamlar› farkl› organkaynaklar› bulma yoluna gidiyorlar. Organ a盤›n› ka-patmak için hayvan organlar›n›n kullan›m› uzun y›l-lard›r deneniyor. ‹nsanlara genetik olarak en fazlabenzerlik gösteren flempanzelerin böbrekleri, insananakledilen ilk hayvan organlar› aras›nda. fiempanze-lerin genetik flifresi insan›nkiyle %98 oran›nda ben-zerlik gösteriyor. ‹lk olarak 1963 y›l›nda bir flempan-zenin böbre¤i insana nakledildi. Hasta, flempanzeböbre¤iyle 9 ay yaflad›. Ölüm nedeniyse organ›n red-di de¤il, flempanze böbre¤inin kan› temizlemek içinyetersiz kalmas›yd›. Son yüz y›l içinde 100’e yak›nhayvan organ›, insanlara nakledildi. Bu insanlar›n ta-mam›, çeflitli enfeksiyonlardan ya da organ›n reddineba¤l› olarak öldü.

‹nsan›n ba¤›fl›kl›k sistemi afl›lamad›kça, s›n›rs›zbir kaynak olmas›na karfl›n, hayvanlar›n organlar›n›kullanmak mümkün olamayacak. Genetik yap›m›zda-ki %98’lere varan benzerli¤e karfl›n hayvan›n organ›vücut taraf›ndan yabanc› olarak alg›lan›p ona karfl›fliddetli bir savafl bafllat›l›yor. Bu da organ›n ölümüy-le sonuçlan›yor. Organ›n reddi d›fl›nda, ifllevsel bo-zukluklar da kiflinin ölümüne neden oluyor. Nakledi-len organ›n, insan organ›na benzer flekilde olmas› vebenzer kapasiteyle çal›flmas› gerekiyor. Bu bak›mdandomuz organlar› insan›nkine en yak›n olan›. Ancakbu hayvanlardan nakil yapman›n etik ve dini yönlerioldukça tart›flmal›.

Son y›llarda ba¤›fl›kl›k sistemi engelini y›kmakyönünde önemli ad›mlar at›ld›. Normal koflullardamaymunlara nakledilen domuz organlar› derhal red-dediliyor. Tak›lmas›n› takiben yaklafl›k 30 dakikaiçinde organ morar›yor ve tüm ifllevini kaybediyor.Bilim adamlar› bunun nedenini buldu. Domuzlardaki“GGTA1” adl› gen, domuz hücrelerine fleker molekü-llerinin ba¤lanmas›n› sa¤l›yor. Hücre yüzeyindeki bufleker molekülleri maymun hücreleri taraf›ndan alg›-land›¤›nda, ba¤›fl›kl›k sistemi harekete geçiyor ve do-muz organ›na karfl› savafl bafllat›l›yor. Bunu keflfedenbilim adamlar› domuzlar›n genetik yap›s›n› de¤ifltire-rek, GGTA1 geni tafl›mayan domuzlar üretmeyi ba-flard›lar. Bu domuzlar›n böbrekleri maymunlara nak-ledildi¤inde organ reddedilmiyor. Bu bulufl, hayvan-lardan insanlara organ nakli için önemli bir geliflmesay›l›yor. Çok yak›n bir gelecekte hayvan genleri de-¤ifltirilerek insanlara uyumlu hayvanlar üretilebile-cek. Genetik yap›s› de¤ifltirilmifl hayvanlardan nakle-dilen organlar, insan vücudu taraf›ndan kolayl›kla ka-bul edilebilecek. Tabii bunun gerçekleflmesi biraz za-

man alacak gibi görünse de, s›n›rs›z organ temini yö-nünde önemli bir aflama kabul ediliyor.

Mayo Klinik’te gelifltirilen yeni bir yöntem saye-sinde domuz kalbi, koyunlara baflar›yla nakledildi. Buyöntemde organ› veren ve alan hayvanlar›n her ikisi-nin de genetik yap›lar›nda de¤ifliklik yap›ld›. ‹lk öncekoyunlar›n kemik ili¤i hücreleri anne karn›ndaki do-muzlara verildi. Bu domuzlar do¤duktan sonra, bun-lar›n dalak hücreleri al›narak bu sefer koyunlara ve-rildi. Nakledilen bu hücreler her iki hayvan›n da ge-netik yap›s›ndan parçalar tafl›yordu. Yavru domuzlarbüyüdükten sonra bunlar›n kalbi koyunlara nakledil-di. Koyunlar›n ço¤unda kalp çal›fl›rken, bu iflleme ta-bi tutulmayan koyunlarsa derhal organlar› reddetti-ler. Organ› veren ve alan›n hücrelerini birlefltirerek“kimerik”, yani bir bak›ma melez hücre gruplar› eldeetmek ve böylece organlar› yabanc› olarak görülmek-ten kurtarma fikrini bilim adamlar› son y›llarda dahada gelifltirdiler. ‹nsan kemik ili¤i hücrelerini annekarn›ndaki koyunlara enjekte eden araflt›rmac›lar,eriflkin yafla ulaflan koyunlardaki karaci¤er hücreleri-nin yaklafl›k %15’inin, insan hücrelerinden olufltu¤u-nu gösterdi. Anne karn›nda verilen insan hücreleri,koyun taraf›ndan yabanc› olarak alg›lanm›yor ve ken-di hücreleri gibi kabul ediliyor. Bu hücreler çeflitli or-ganlara giderek buralara yerlefliyor. Bu sayede hay-van›n organlar› bir bak›ma insanlaflm›fl oluyor. Bu or-ganlar insan›n ba¤›fl›kl›k sistemi taraf›ndan yabanc›olarak alg›lanmay›p savafl bafllat›lm›yor. Hayvanlardaelde edilen kimerik, di¤er bir deyiflle melez organla-r›n içindeki insan hücresi oran›n› yükseltmek, enönemli hedeflerden biri. Ancak bu oran çok artt›¤›n-da hayvan›n yaflamas› mümkün olmayabilir. Bu vebenzeri teknik zorluklar, henüz afl›lamad› ve bu çal›fl-malar halen klinik uygulamaya geçmedi. Molekülerdüzeydeki zorluklar her geçen gün biraz daha afl›l›-yor. ‹nsanlaflm›fl, yani kimerik hayvan organlar› eldeederek organ ihtiyac›n› karfl›lamak, çok yak›n bir ge-lecekte mümkün olabilecek.

Hayvanlara verilen insan kök hücreleri, hayvanvücudunda belirli bölgelere yerleflip hücre kitlelerioluflturabiliyor. Küçük birer organ fleklini alan buhücre gruplar›, hayvan›n kendi organlar›ndan ba¤›m-s›z olarak ifllevlerini sürdürebiliyorlar. Nevadal› bilimadamlar›, hayvanlara nakledilen hücrelerin, hayvanvücudunda kal›n karaci¤er hücre kümeleri oluflturupnormal bir karaci¤erin neredeyse tüm ifllevlerini yap-t›¤›n› gösterdi. ‹nsan karaci¤er hücrelerinden oluflanbu karaci¤er, insan kan›nda bulunan “albumin” adl›proteini oluflturabiliyor ve belirli bir boyuta ulaflt›¤›n-da hayvandan ç›kart›larak insana nakledilebiliyor.Hayvanlara enjekte edilen insan pankreas hücreleride hayvan vücudunda kümeler oluflturup insülin hor-monu salg›layabiliyorlar. Araflt›rmac›lar, yak›n gele-cekte bu hücre gruplar›n›n hayvan vücudunda yetiflti-

rildikten sonra insana nakledilece¤ini, ve bu sayedediyabet hastal›¤›n›n tedavi edilebilece¤ini belirtiyor-lar. Ayn› yöntem kullan›larak hayvan vücudunda in-san kalbi oluflturmak da mümkün. ‹nsan kemik ili¤iya da kök hücreleri kullan›larak oluflturulan bu or-ganlar, insan hücrelerinden köken ald›¤› için kifliyenakledildi¤inde ba¤›fl›kl›k sistemi taraf›ndan yabanc›olarak alg›lanm›yor. Bu yöntemle oluflturulan organ-lar her ne kadar üç boyutlu bir yap›ya sahip olsalarda orijinal flekil ve büyüklükte olmuyor. ‹nsan›n nor-mal karaci¤eri boyutlar›nda, tüm hücre ve damar ya-p›lar›n› içeren bir organ henüz oluflturulamad›. Belkide önümüzdeki 15 y›l içinde bütün bu zorluklar afl›-labilecek. Bu sayede hayvanlarda oluflturulan, di¤erbir deyiflle “yetifltirilen” organlar, rahatl›kla insanla-ra tak›labilecek.

Dr. Vacanti, k›smen de olsa hayvanlarda üç bo-yutlu organ yetifltirmeyi baflard›. ‹lk olarak 1997 y›-l›nda farenin s›rt›nda üç boyutlu k›k›rdak yap›s›ndakulak oluflturmay› baflaran Vacanti, yap› iskeletlerikullanarak damarlar›n ve di¤er büyük organlar›n dahayvanlarda yetifltirilebilece¤ini belirtiyor. Deney or-tam›nda, organik yap›da olan ve bir süre sonra ken-dili¤inden eriyebilen yap› iskeletleri sayesinde, hücre-lere üç boyutlu büyüme olana¤› sa¤lanabiliyor. Böy-lece hayvan vücudunda, yaln›zca hücre kümelerindenoluflan organlar yerine orijinal flekline yak›n organlarüretilebiliyor. Hayvanlar üzerinde “insanlaflt›r›lm›fl”hücrelerden elde edilen bu tür organlar›n bir di¤eride böbrek. Küçük parçac›klar halinde üretilen böb-rek kümeleri, kan› süzme yetene¤ine de sahip. Buböbrekler henüz insanlar üzerinde kullan›lam›yor.

Organik yap› iskeletleri, kök hücreler, ve kimerikhücreler sayesinde, hayvanlarda yapay insan organla-r› üretme noktas›na her geçen gün yaklafl›l›yor. Hay-vanlar›n genetik yap›s›n› de¤ifltirerek insanlaflt›r›lm›flhücre ve organlar üretmek art›k hayal de¤il. ‹nsanvücudundaki organlar›n, tümünü olmasa da baz› ifl-levlerini yapabilen organlar üretilebiliyor. Hayvanlar-da oluflturulan karaci¤er, kalp ve böbrek gibi doku-lar, gerçek organ fleklini alabilmifl, yani ne ifllevselolarak ne de boyut olarak insanlara nakledilecek afla-mada de¤il. Ayr›ca, ba¤›fl›kl›k sistemiyle ilgili sorun-lar da tam olarak afl›lamad›. Bütün bunlara ek olarakkarfl›lafl›lacak di¤er bir sorunsa, hayvan vücudundayetifltirilen organlar›n insanlara baz› hastal›klar› tafl›-mas›. Baz› virüsler, hayvan hücre çekirde¤ine girerekgenetik yap›yla bütünlefliyor. Örne¤in, “retrovirüs”denen bir virüs türü, kendi genetik flifresini domuzDNA’s›na entegre ederek sürekli kendisini ço¤altabi-liyor. Hayvanda üretilen insanlaflt›r›lm›fl organlar›ninsanlara nakledilmesiyle retrovirüs vücuda girebilir,insan hücrelerinin genetik yap›s›yla bütünleflip çeflitlihastal›klara, bunun da ötesinde, insan DNA’s›ndamutasyonlara neden olabilir. Bu ve benzeri sorunlaraçözüm aranadursun, insanlaflt›r›lm›fl hayvan fikriözellikle etik ve dini aç›dan da tüm dünyada büyükbir tart›flma konusu. Hayvanlarda üretilen insanlaflt›-r›lm›fl organlar›n nakledilmesinin insan› hayvanlaflt›-raca¤›n› düflünen kesimler bu tür çal›flmalara olduk-ça karfl›. Ayr›ca, hayvanseverler de bu tür çal›flmala-ra fliddetle karfl› ç›k›yor. Dr. Vacanti’nin fare s›rt›ndakulak oluflturmas›, hayvanseverleri aya¤a kald›rd›.Tabii, bu tart›flmalar devam ederken bilim adamlar›yapay organ üretimi konusunda h›zla yol al›yorlar.‹yimser tahminlere göre önümüzdeki 15-20 y›l içindebirçok yerde yapay organ üreten hayvan çiftlikleri ku-rularak, organ nakilleri için s›n›rs›z bir kaynak yara-t›lm›fl olacak.

7Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

OOrrggaann üürreettiimmççiiffttllii¤¤ii

Yapay organ üretiminde en önemli aflama, ya-pay damar oluflturmak. Belirli bir kal›nl›¤›n üze-rindeki dokular›n yaflayabilmesi için mutlaka kandamarlar› gerekiyor. Karaci¤er, böbrek, akci¤ergibi organlar› oluflturmak için ilk önce damar ya-p›s›n›n kurulmas› gerekiyor. Yapay damarlar yal-n›zca organ oluflumu için de¤il, birçok damarhastal›¤›n›n tedavisinde de kullan›labilecek. Or-gan ve dokulara temiz kan gitmesini sa¤layanatardamarlar›n t›kan›kl›¤›nda organlar ifllevlerinigöremez hale geliyor. Kalp damarlar›n›n t›kan-mas›yla oluflan kalp krizi, en büyük s›kl›kla orta-ya ç›kan ölüm nedenlerinden biri. T›kal› olan da-marlar›n yenisiyle de¤ifltirilmesi, bu tür hastal›k-larda en geçerli tedavi yöntemi. Yaln›zca kalp da-marlar›n›n de¤il, vücuttaki di¤er t›kal› damarlar›nde¤ifltirilmesinde de sa¤l›kl› damarlara ihtiyaçoluyor. Birçok durumda hastan›n kendi sa¤l›kl›damarlar› kullan›labilse de, bazen bunlar yeterliolmuyor. Vücuttaki damarlar›n kullan›lamad›¤›damar t›kan›kl›klar›nda politetrafloroetilen’denyap›lan sentetik damarlardan yararlan›l›yor. An-cak bu tür sentetik damarlar›n uzun dönemde t›-kanmas› riski de var. Görüldü¤ü gibi, damar has-tal›klar›n›n tedavisi için oldukça fazla miktardadamara ihtiyaç oluyor. Bu tür hastal›klar›n teda-visi için yapay damarlar, önemli bir tedavi umu-du tafl›yor.

Damarlarda esas olarak iki tip hücre bulunu-yor. Damar›n d›fl k›sm›n› kaplayan düz kas hücre-leri ve iç yüzeyini kaplayan “endotel” hücreler.Damarlar›n iç k›sm›n› kaplayan hücreler, adetateflon yüzeyler gibi kan›n damara yap›flmas›n› vep›ht› oluflmas›n› engelliyorlar. Yapay damar olufl-turmada ilk basamak mikroskobik düzeyde mik-rotüpler oluflturulmas›. ABD’de Harvard Üniversi-tesi’ndeki bilim adamlar›, gelifltirdikleri bir yön-

temle de¤iflik büyüklüklerde mikro-tüpler oluflturdu. En büyükten baflla-yarak dallara ayr›lan ve giderek küçü-len mikrotüp sistemi, bilgisayar yard›m›y-la gelifltirildi. Bu modelde mikrotüp ikiyeayr›l›yor, dallanan iki tüp tekrar ikiye ayr›l›-yor ve böyle devam edip gidiyor. Böylece bü-yükten bafllay›p küçü¤e do¤ru giden ve orijinaldamar a¤›na oldukça benzer bir mikrotüp iske-leti oluflturuluyor. Kendi kendine eriyip yokolabilen özel polimerlerden oluflturulan bumikrotüp iskeletlerin d›fl yüzeylerine düz kashücreleri, iç yüzeylerineyse endotel hücreler yer-lefltiriliyor. Bu hücreler ço¤ald›kça birbiriyle bir-lefliyor ve sonunda tüm iskelet yüzeyini kapl›yor-lar. Mikrotüplerin içine yerlefltirilen endotel hüc-releriyse pürüzsüz bir iç yüzey oluflmas›n› sa¤l›-yor. Zamanla hücreler daha da ço¤alarak s›klafl›-yor, polimer iskelet eriyerek kayboluyor ve yapaydamar olufluyor.

Yapay damar oluflturmada kullan›lan di¤erbir yöntemse “bask›” yöntemi. Amerikal› bilimadamlar› taraf›ndan gelifltirilen ve bilgisayar yaz›-c›lar›n›n çal›flmas›na oldukça benzeyen bu yön-tem sayesinde en karmafl›k damar a¤lar›n› çokk›sa sürede oluflturmak mümkün. Bu yöntemdeilk olarak, yaz›c›lardaki kartufl benzeri yap›lar›niçine hücreler yerlefltiriliyor. Daha sonra bu hüc-reler, önceden oluflturulan yap› iskeletlerininüzerine püskürtülüyor. Bu iskeletler 20 derecedes›v› halde bulunurken 32 derecede kat›lafl›yor.Hücrelerin püskürtüldü¤ü noktalar, önceden bil-gisayar taraf›ndan belirlenmifl oluyor. Üzerinehücre püskürtülmüfl iskeletler, daha sonra birlefl-tirilerek üç boyutlu damar modelleri elde edili-yor. Bu yöntem, mürekkep püskürten yaz›c›larabenzedi¤i için “bask›” yöntemi olarak adland›r›l›-

yor. Kapal› kartufllar›n içinde ço¤al-t›lan hücreler d›fl dünyadan izoleedildikleri için, her türlü mikroptanuzak kal›yorlar. Steril iskeletlerininüzerine püskürtülen bu hücrelerdenoluflturulan yapay damarlar da, dola-y›s›yla rahatl›kla vücuda yerlefltirilebi-liyorlar.

Bask› yönteminin üç boyutlu ya-pay organ oluflturmada baflka avan-tajlar› da var. Bu yöntem sayesinde

büyük organlar› oluflturmak için de¤i-flik aflamalara gerek kalm›yor. Di¤eryöntemlerde, damar iskeleti oluflturu-

lduktan sonra, hücreler bu iskeletin üzerindenilerletilerek damar oluflturuluyor. Damar olufltuk-tan sonra, bunun çevresinde di¤er hücreler ço-¤alt›l›yor. Bu yöntemle dokular› oluflturmak dahauzun süre alabiliyor. Fakat yeni gelifltirilen bask›yöntemi sayesinde ka¤›t fleklindeki iskeletler üze-rine ayn› anda de¤iflik hücre tipleri püskürtülebi-liyor. Tabakalar halinde bas›lan iskeletler üst üs-te konularak, üzerlerine püskürtülen hücrelerinbirleflmesi sa¤lan›yor. Böylece çok k›sa süredehem damar hem de di¤er yap›lar ortaya ç›kabili-yor. Bask› yöntemiyle iki saat içinde 5 cm kal›n-l›¤›nda, kanlanmas› sa¤lanm›fl dokular elde et-mek mümkün. ‹nsan böbre¤inin 5 cm kal›nl›¤›n-da oldu¤u düflünülecek olursa, bask› yöntemiyleböbrek oluflturmak yaln›zca 2 saat alacak. Tabiiorgan oluflturmak yaln›zca kanlanmas› sa¤lanm›flhücre kütlesi yaratmak de¤il. Orijinal organ›ntüm ifllevlerini üstlenebilecek bir yapay organoluflturabilmek için yapay damarlar›n yan›s›ra,organ içindeki küçük yap› birimlerini de olufltur-mak gerekiyor.

8 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

Hareket etmemizi ve hissetmemizi sa¤layansinirler, büyük bir gövde ve uzun bir uzant›danolufluyor. Sinir gövdesi genellikle beyin ya daomurilikte yerleflirken, “akson” denen uzant›s›1,5 metre kadar uza¤a gidebiliyor. Sinir hücresiöldü¤ünde kendisini yenileyemiyor, ancak uzant›-s›, hasar gördü¤ü zaman kendisini tamir edebili-yor. Bu tamir ifllemi için sinir uçlar›n›n karfl›l›kl›getirilerek aran›n doldurulmas› gerekiyor. Di¤erbir deyiflle, onar›m için hasarl› sinir uçlar› aras›-na ek yap›lmas› gerekiyor. Hasarl› sinir uçlar›karfl›l›kl› getirilmeyip hasarl› bölge bofl b›rak›l›r-sa uçlar ço¤u zaman bir araya gelemiyor. Kopansinirleri onarmak, sinir cerrahlar›n›n en önemlihedeflerinden biri. Kopan ya da hasar gören si-nirlerin, vücudun di¤er yerinden al›nan sinirlerleonar›lmas› da mümkün. Ancak bu tedavinin çeflit-li k›s›tlamalar› var. Her zaman onar›m için uygunsinir bulunamayabiliyor; ameliyat edilen bölgeyebirden fazla kez müdahale etmek gerekebiliyor;nakledilen sinir, istenilen görevi yapmayabiliyor.Böyle k›s›tlamalar› olmayan ve her an temin edi-

lebilecek yapay sinir üretimi üzerinde yo¤un ça-l›flmalar var.

Bilim adamlar› kopan sinir uçlar›n›n aras›nayerlefltirilen yapay bir akson oluflturdu. Gelifltiri-len bu yeni bir yöntem sayesinde kopan sinirlertamir edilebiliyor. Yapay akson, “kollagen” ve“polietilen glikol”den oluflan bir iskelet. Polieti-len glikol, kendili¤inden eriyebilen polimer yap›-s›nda bir madde. Hasarl› sinir uçlar› aras›na yer-lefltirilen yapay akson, 25mm’lik bir aç›kl›¤›n yaklafl›k 4haftada iyileflmesini sa¤l›yor.Yapay akson iskeletse bir süresonra eriyerek sa¤lam sinir do-kusuna kar›fl›yor. Bu flekilde iyi-lefltirilen sinir lifleri k›sa süreiçinde normal ifllevlerini görme-ye bafll›yor.

Doku mühendisli¤i sayesin-de özel hücreler kullanarak ya-pay sinir liflerini oluflturmakmümkün. K›lcal boru iskelet

çevresine yerlefltirilen hücreler sayesinde yapaysinir elde ediliyor. Hasarl› sinir liflerini, vücutta“Schwann” hücreleri onar›yor. Bu hücreler sinirhasar› olufltu¤unda o bölgeye giderek salg›lad›¤›maddelerle hasar› onar›yor. Hayvanlardan al›nan“Schwann” hücreleri kültürlerde çeflitli ifllemler-den geçirilerek ço¤alt›l›yor. Belirli bir say›ya ge-len hücreler “poliglaktin” içeren polimer iskelet-lerin üzerine yerlefltiriliyor. “Schwann” hücreleri,

k›lcal borular fleklinde olan buiskeletler üzerinde ço¤alarakilerliyorlar. Hücreler, tüm yü-zeyi kaplayarak k›lcal boruyuçevreliyorlar. Kendili¤indeneriyebilen k›lcal boru iskelet,çevresindeki “Schwann” hüc-releriyle birlikte yapay bir si-nir lifi fleklini al›yor. Bu yapaysinir lifi, kopan sinir lifleri ara-s›na nakledildikten sonra, za-man içinde sinir lifi bütünlü¤ü-nü sa¤l›yor.

sinir

damar

Karn›n sa¤ üst kesiminde bulunan karaci-¤er, en önemli organlardan biri. Di¤er birçokorgandan farkl› olarak karaci¤erin say›s›zgörevi var. Vücudun fabrikas› olarak daadland›r›lan karaci¤er, g›dalar›n sindi-rilmesi için gerekli safra ve enzimle-ri, çeflitli proteinleri, p›ht›laflmaiçin gerekli faktörleri üretiyor.Vitamin ve kolesterol gibi yap›-tafllar› için adeta bir depo göre-vi görüyor. Kan›n zararl› mad-delerden ar›nd›r›lmas› da ka-raci¤erin en önemli görevleriaras›nda. Karaci¤er yaln›zcahücre kümelerinden oluflmu-yor. ‹çerisinde çok karmafl›kbir damar ve kanal a¤› var.Karaci¤er hücreleri de, bu da-mar ve kanal sistemiyle yak›nkomflulukta bulunuyor. Kara-ci¤er, bu karmafl›k yap›s› ne-deniyle yapay olarak olufltu-rulmas› en zor olan organlar-dan biri.

Karaci¤er yetmezli¤ine yolaçan etkenlerin bafl›nda alkoleba¤l› siroz, hepatit (sar›l›k) veafl›r› dozda kullan›lan ilaçlargeliyor. Karaci¤er yetmezli¤igelifltikçe vücutta kanamalar, ka-r›nda flifllik ve koma görülebiliyor.‹lerlemifl organ yetmezliklerinde halen tek teda-vi seçene¤i, organ›n de¤ifltirilmesi. ABD’de yak-lafl›k 10 milyon insanda çeflitli derecelerde ka-raci¤er hastal›¤› mevcut. Yine bu ülkede 12 binkifli karaci¤er nakli için s›rada. Bu kiflilerin yal-n›zca üçte birine uygun karaci¤er bulunabiliyorve her y›l %20’si nakil s›ras›nda beklerken ölü-yor. Bu rakamlar geliflmekte olan ülkelerde çokdaha korkutucu boyutta. Organ ba¤›fl›n›n çok azoldu¤u ülkelerde, karaci¤er hastal›klar›na ba¤l›ölümler oldukça fazla. Son 4-5 y›l içinde geliflti-rilen yapay karaci¤er cihazlar›, organ s›ras›ndabekleyen hastalara karaci¤er bulunana kadarzaman kazand›r›yor.

Yeni gelifltirilen yapay karaci¤er cihazlar›,insan karaci¤er hücrelerini kullan›yor. ‹lk ola-rak hastan›n kan›ndaki hücreler ayr›larak “plaz-ma” denen s›v› elde ediliyor. Daha sonra plaz-ma, içi karaci¤er hücreleriyle dolu bir kartu-fla aktar›l›yor. Kartuflun içinde s›n›rs›z yafla-ma yetene¤i olan milyonlarca karaci¤er hüc-resi bulunuyor. Bu hücreler normal bir kara-ci¤er hücresinin neredeyse tüm görevleriniyapabiliyorlar. Kartuflun içine dolan plazma,bu hücreler sayesinde zararl› maddelerdenar›nd›r›l›yor. Kartufltan süzülen temiz plazmatekrar hastaya geri veriliyor. ‹nsan hücrele-rinden yararlanan cihazlar, yaklafl›k on günsüreyle kesintisiz olarak kullan›labiliyor. Ya-pay karaci¤er cihazlar› son y›llarda daha dagelifltirildi. Heksagonal mikrokanallar üzerineyerlefltirilen karaci¤er hücreleri, yapay kara-ci¤er görevini görebiliyor. Hastan›n kan›, bu

kanallar içinden geçerkenkaraci¤er hücreleri taraf›ndan za-

rarl› maddelerden temizleniyor. Ancak kanbu kanallardan geçerken içindeki oksijeni dekaybedebiliyor. Bu nedenle kanallar› k›sa tut-mak gerekiyor. Kanallar›n k›sa olmas› da yete-rince zararl› maddelerden temizlenmesini engel-leyebiliyor. Bu tür cihazlar her ne kadar geliflti-rilmiflse de, bir karaci¤erin görevini tam olarakgerçeklefltiremiyorlar. Bu nedenle üç boyutluyapay karaci¤er oluflturma çal›flmalar› h›zla de-vem ediyor.

Yapay karaci¤er oluflturmak, teknik aç›danoldukça güç. Poliüretan köpük iskelet kullananbilim adamlar› yapay karaci¤er oluflturabiliyor-lar. Köpük içine yerlefltirilen karaci¤er hücrele-ri, mikrokümeler oluflturuyor. Elde edilen üçboyutlu yapay karaci¤er vücut d›fl›nda 10 günsüreyle ifllev görüyor. Karaci¤er yetmezli¤i olandomuz ve farelere yerlefltirilen bu yapay karaci-¤erler oldukça iyi sonuçlar verdi. Bilim adamla-r›, deney aflamas›ndaki köpük karaci¤erleri da-ha da gelifltirerek, insanlarda kullan›m› için ça-l›fl›yorlar.

Tüm damar yap›lar›n› da içe-ren üç boyutlu kal›n bir ka-

raci¤er oluflturma fikri5-6 y›l öncesine kadaryaln›zca bir hayal ola-rak kabul ediliyordu.

Dr. Vacanti’nin 1997 y›-l›nda bir farenin s›rt›nda

insan kula¤› gelifltirdi¤i gün-den beri, üç boyutlu ve damarl›

yapay karaci¤er fikri hayal olmaktanç›kt›. Harvard Üniversitesi’ndeki bilim

adamlar› orijinal karaci¤er benzeri bir mo-del oluflturdular. Yapay karaci¤er yaratmada enönemli basamak, karmafl›k damar yap›s›n› olufl-turmak. Bu nedenle ilk olarak, vücuttan ç›kart›l-m›fl bir karaci¤erin damarlar›n›n içine, özel birs›v› plastik materyal enjekte ediliyor. Bu s›v› k›-sa süre içinde kat›laflarak damarlar›n fleklini al›-yor. Daha sonra karaci¤er dokusu özel s›v›larlaeritilerek yok ediliyor. Geriye yaln›zca kat›lafl-m›fl ve damar fleklini alm›fl olan madde kal›yor.Kurumufl a¤aç dallar›na benzeyen bu yap›, kara-ci¤erin damar yap›s›n› temsil ediyor. Bu yap›n›ngörüntüleri bilgisayara aktar›larak üç boyutlugörüntüler elde ediliyor. Bu görüntüler yard›-m›yla silikon kal›plar haz›rlan›yor. Silikon kal›p-lar›n içine polilaktik glikolik asit (PLGA) yap›-s›ndaki bir madde dökülüyor. Böylece karaci¤erdamarlar›n›n organik bir iskeleti oluflturuluyor.Bu iskeleti oluflturduktan sonraki aflamaysahücrelerin oluflturulmas›. Damar iskeleti çevre-sine yerlefltirilen karaci¤er hücreleri, belirli bü-yüme faktörleri yard›m›yla ço¤alarak organ›nkal›n etli k›sm›n› oluflturuyorlar. Bir sonrakiaflamaysa damar›n oluflturulmas›. Bunun içinsüngerimsi yap›da olan PLGA içine damar hüc-releri enjekte ediliyor. ‹skelet, hücrelerin ço¤al-mas› için gerekli büyüme faktörlerini ve besinmaddelerini içeriyor. Damar hücreleri iskeletboyunca ilerleyerek karaci¤er hücrelerine yap›-fl›yor. Burada ço¤alan damar hücreleri, iskeletçevresinde birleflerek tam bir damar yap›s› olufl-turuyorlar. PLGA iskelet birkaç ay içinde kendi-li¤inden eriyerek geride karaci¤er hücreleri veiçinde damarlar› olan yapay bir organ b›rak›yor.Bu flekilde oluflturulan yapay karaci¤er hayvan-larda denendi. Oldukça iyi kan ak›m›n›n sa¤lan-d›¤› bu organlarda d›flar› kan s›z›nt›s› da gözlen-medi.

Tabii bu teknolojiyi ideal flekle getirmek çokkolay de¤il. Karaci¤er içinde de¤iflik görevleriolan milyonlarca hücre var. Yaln›zca bir gramkaraci¤er dokusunda yaklafl›k 100 milyon kara-ci¤er hücresi bulunuyor. Hücrelerin gerekli nok-talara yerlefltirilmesi ve buradaki konumlar›n›korumalar›n›n sa¤lanmas› oldukça güç. Yapaykaraci¤er oluflturulmas›nda karfl›lafl›lan di¤erbir güçlükse, organ›n mikroplardan ar›nd›r›lma-s›. Yapay organlar›n içine hiçbir mikrobun gir-memesi gerekiyor. Bu nedenle, çal›flmalardakullan›lan tüm cihaz ve aletlerin steril, yani mik-roptan ar›nd›r›lm›fl olmalar› çok önemli.

9Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

karaci¤er

Kalp, en önemli organlardan biri. Koronerdamarlar›n t›kanmas›na ba¤l› kalp kaslar›n›n öl-mesi, ve bunun sonucunda meydana gelen kalpkrizi, dünyadaki en s›k ölüm nedeni olarak gös-teriliyor. Kalp hücreleri kendini yenileme yetene-¤ine sahip de¤il. Bu nedenle herhangi bir nede-ne ba¤l› olarak hücreler ölür ya da görev yapa-mazsa, yani hücreler kas›lma yetene¤ini kaybe-derlerse, kalp yetmezli¤i gelifliyor. Kalp yetmezli-¤inde vücuttaki kan yeterince pompalanam›yorve organlar kans›z kal›yor. Buna ba¤l› olarak dadi¤er organlarda yetmezlikler bafll›yor. Milyonlar-ca insan kalp yetmezli¤inin pençesinde ve nakiliçin uygun bir kalp bekliyor. Bu insanlar›n fazlazaman› yok. Kan› pompalamayetene¤i olan yapay kalp cihaz-lar› nakil yap›lana kadar geçensürede hastalara zaman kazan-d›r›yor. Ancak bu cihazlar›n vü-cutta tafl›nmas› çok kolay de¤il.Enerjiyi ald›klar› piller vücut d›-fl›nda bulunuyor. Hastalar›nmutlaka yedek pillerle dolaflma-lar› gerekiyor. Yapay kalp ci-hazlar› yabanc› cisim olduklar›için, kan bunun içinden geçer-ken p›ht›laflabiliyor. Bunu en-gellemek için sürekli kan› su-land›ran ilaçlar›n al›nmas› gere-kiyor.

Son y›llarda kalp yetmezli¤i-nin tedavisinde cihazlar yerinekalp kas› hücrelerinin kullan›l-mas› gündeme geldi. Kemik ili-¤inden al›nan hücreler ya daembriyodaki kök hücreler kulla-n›larak kalp kas› hücresi (kardiyomiyosit) olufltu-rulabiliyor. Kök hücreler birçok hücreye dönüfl-me yetene¤ine sahip. ‹nsan›n oluflumu aflamas›n-daki ilk hücreler olan embriyonel kök hücreler,kültürlerde ço¤alt›larak özel büyüme faktörlerisayesinde kalp hücrelerine dönüfltürülüyorlar. Buhücreler farkl› genetik yap›ya sahip olduklar› ki-fliye nakledildiklerinde ba¤›fl›kl›k sistemini hare-kete geçirebiliyor. Yap›lan çal›flmalar, kemik ili-¤inden al›nan baz› hücrelerin de özel koflullardakalp hücresine dönüflebilece¤ini gösterdi. Kiflininkendi kemik ili¤inden al›nacak olan hücreleringenetik yap›s› kalbindeki hücrelerle ayn› oldu¤uiçin, bunlar›n tedavi amaçl› kullan›m› ba¤›fl›kl›ksistemi aç›s›ndan sak›nca yaratm›yor. Kemik ili¤ihücreleri özel kültürlerde kalp hücresine dönüflü-yor. Bu hücreler belirli say›ya ulaflt›ktan sonratekrar hastaya geri veriliyor. Bu hücreler dolafl›myoluyla kalbe giderek hasarl› bölgeye yerlefliyor-lar. Hasarl› kalp hücreleri aras›nda yerini alansa¤l›kl› kalp hücreleri burada normal ifllevleriniyerine getiriyor. Bu sayede kalp yetmezli¤i önle-nebiliyor. Bu tür tedaviler henüz deneme aflama-s›nda olmalar›na karfl›n bilimadamlar› daha daileri giderek kalp dokusunu vücut d›fl›nda olufl-turmay› baflard›lar. Bir günlük yavru farelerinkalp hücrelerini alan bilimadamlar› bu hücrelerikollagen ve serum içeren bir ortama yerlefltirdi-

ler. Yaklafl›k dört gün-de, kap içindeki hücre-ler ço¤alarak birbiriylekenetlendiler. Orijinalkalp dokusundaki gibibirbirine yap›flan hüc-reler dakikada 100kez kas›lan kal›n birhücre kümesi olufltur-du. Vücut d›fl›nda eldeedilen bu yapay kalpdokusu, mikroskobikolarak üç boyutlu kal-bin benzeri.

Yapay kalp dokusu elde etme çal›flmalar› flim-di daha da ileri noktalara götürülüyor. Art›k he-def kalp hücresi ya da kalp dokusu oluflturmakde¤il, üç boyutlu organ, yani yapay kalp yarat-mak. Birçok kalp hastal›¤›nda, kiflilerin uzun bir

tedavi sürecini beklemek için zamanlar› ol-muyor. Hücre ya da doku nakli sonras›ndabu hücrelerin hedef bölgeye giderek buradaço¤almalar› ve hasarl› hücrelerin yerini al-malar› uzun bir süreç gerektirebilir. Sonuç-lar›n al›nmas› için belirli süre gerektiren buve benzeri tedavilerin, kalbin tamam›n›n ha-sarl› oldu¤u durumlarda kullan›lmalar› pra-tikte mümkün olmayabilir. Böyle durumlar-da organ›n tamam›n›n en k›sa sürede de¤ifl-tirilmesi gerekir. Organ kaynaklar›n›n sonderece yetersiz oldu¤u günümüzde yapayolarak üretilecek organlar, en önemli umutkayna¤›. Bilim adamlar›, yeni do¤mufl fare-lerden al›nan kalp hücrelerini kullanarak üçboyutlu kalp dokusu oluflturmay› baflard›lar.

Fare kalp hücrelerinin, kollagen bir iskelet çevre-sinde toplanarak üremeleri sa¤land›. Büyümefaktörleri sayesinde ço¤alt›lan hücreler k›sa birsürede birleflerek kollagen iskelet etraf›nda ke-netlendi. Ço¤alarak üç boyutlu flekil alan kalphücreleri kas›lma ifllevini de yerine getiriyor.

10 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

kalp

Nefes borusu, ya da di¤er ad›yla “trakea” enönemli organlardan biri. Havan›n akci¤erlereulaflmas›n› sa¤layan nefes borusu sert bir k›k›r-dak yap›dan olufluyor. Nefes borusunu kaplayantümörlerde bu borunun ç›kart›lmas› gerekebili-yor. Geride kalan bofllu¤un doldurulmas›ysa çokönemli. Son y›llarda gelifltirilen yapay nefes bo-rusu hayvanlarda baflar›yla uygulan›yor. ‹lk ola-rak “polipropilen” yap›s›nda sentetik bir iskeletoluflturuluyor. Bu iskeletin çevresine doku kül-türlerinde üretilen k›k›rdak hücreleri yerlefltirili-yor. Hücreleri bir arada tutmak için üzerleri ka-

l›n bir yapay ba¤ dokusu tabakas›yla kaplan›yor.Bu tabaka kollagen liflerinden olufluyor. Bu fle-kilde haz›rlanan 4 santimetre uzunlu¤undaki ya-pay nefes borusu, hayvanlara baflar›yla uygulan-d›. Bir ay içinde yapay borunun içi, normal havayollar›nda bulunan ve üzeri tüylü “epitel” hücre-leriyle kapland›. Bütün olarak ters “Y” biçimin-deki nefes borusunun yapay boruyla de¤ifltirenbilim adamlar›, oldukça iyi sonuçlar ald›klar›n›belirtiyorlar. Bu sayede, en önemlisi kanser ol-mak üzere, nefes borusunu etkileyen hastal›kla-r›n verdi¤i hasar kolayl›kla onar›labilecek.

nefesborusu

Deri hücrelerinin ölmesine yol açan deri kan-seri gibi hastal›klar ya da mekanik etkiler, geniflderi alanlar›n›n kayb›na yol açabiliyor. fieker has-tal›¤›na ba¤l› olarak deride yaralar görülebiliyor.Vücudunun bir k›sm›n› felç nedeniyle hareket et-tiremeyen kiflilerin baz› bölgelerinde bas›ncaba¤l› derin yaralar oluflabiliyor. Bütün bunlardandaha s›k karfl›m›za ç›kan hasarsa, derinin yana-rak yok olmas›. Birinci derece yan›k, oldukça ha-fif bir deri hasar›na yol aç›yor. Bunun en s›k kar-fl›lafl›lan örne¤i, günefl yan›¤›. Günefle gere¤in-den fazla maruz kal›nca deride k›zar›kl›k ve hafiffliflme görülebiliyor; genellikle deri hücrelerininkayb› olmuyor. ‹kinci derece yan›klardaysa yüze-yel deri hücreleri ölüyor ve ciltte kabarc›klar olu-fluyor. En fliddetli doku hasar›na yol açan›ysa,üçüncü derece yan›klar. Bu yan›klarda deri hüc-relerinin tümü yan›yor, hatta kemi¤e kadar kö-mürleflme görülebiliyor. Derinin tüm tabakalar›-n›n kayb›na yol açan bu tür yan›klar e¤er geniflbir alan› kapl›yorsa, bu bölgenin baflka yerdenal›nan deriyle kapat›lmas› gerekiyor. Deri kayb›,vücudun di¤er taraflar›ndan al›nan deri parçala-r›yla telafi edilebiliyor. Doku hasar›n›n çok genifloldu¤u ve vücuttan al›nan deriler yeterli olmad›-¤› durumlardaysa, aç›k alanlar› kapatmak için d›-flar›dan getirilecek dokuya ihtiyaç oluyor. Kadav-ralardan al›nan deri parçalar›, ba¤›fl›kl›k sistemi-nin reaksiyonuna ba¤l› olarak birkaç hafta içinde

reddediliyor. Sentetik mater-yallerse yabanc› cisim olarakkabul edilerek fliddetli bir do-ku reaksiyonuna yol aç›yor.Yani vücut yabanc› maddeyi at-

mak için savafl bafllat›yor. Bütün bu nedenlerdendolay›, vücudun rahatl›kla kabul edece¤i ve heran temin edilebilecek deri parçalar›na ihtiyaç du-yuluyor.

Gelifltirilen yeni yöntemlerle art›k hasarl› de-rinin onar›m› mümkün. Oluflturulan yeni yapayderi “fibroblast” denen hücreleri içeriyor. Buhücreler, deri hücrelerini oluflturan kök hücrelergibi görev yap›yor. Tabii bu hücreler serbest hal-de bulunmuyor. Bunlar› bir arada tutan bir iske-let üzerine yerlefltiriliyor. Hücre iskeleti üzerineyerlefltirilen ve ço¤alma yetene¤i olan yapay de-ri, yaln›zca insan hücrelerinden üretiliyor. Derinyan›klarda hücre tabakas›n›n alt›na baflka bir ta-baka daha yerlefltirilebiliyor. Bu tabaka, deri hüc-relerini ve dokular› bir arada tutan “kollagen”adl› proteini içeren liflerden olufluyor. FDA tara-f›ndan 1997 y›l›nda onaylanarak piyasaya sürü-len bir yapay deri ürünü, derinin hem “epider-mis” denen üst k›sm›n› hem de “dermis” denenalt tabakas›n› birlikte içeriyor. Bu yapay deri,kollagen iskelet üzerinde yer alan hücrelerdenolufluyor.

Yapay derilerin, üçüncü derece yan›klardansonra en k›sa sürede hasarl› bölgeye nakledilme-leri gerekiyor. Nakledildikten sonra, buradaki si-nir uçlar›n› kaplayarak a¤r›y› azalt›yor. Buna ekolarak da hasarl› bölgeden vücudun s›v› kaybet-

mesini engelliyor. Yapay deri buz üzerinde sak-lan›yor ve en k›sa sürede kullan›lmas› gereki-yor. Halen FDA taraf›ndan onaylanm›fl olan vepiyasada bulunan yapay deriler, genellikle ha-sarl› bölge üzerinde ince bir tabaka oluflturu-yor. Bu tabakan›n temel görevi, kiflinin derihücreleri kendisini yenileyene kadar geçici sü-reyle iskelet oluflturmak. Hücrelerin ço¤almas›için gerekli maddeleri de içeren iskelet, damarve hücrelerin kendilerini yenilemesi için ortam

haz›rl›yor. Yapay deri nakledildikten k›sa bir sü-re sonra deri hücreleri ve damarlar ço¤alarak is-keletin tamam›n› doldurup, yara üzerinde incebir hücre tabakas› oluflturuyorlar. Tüm tabakala-r› içeren ve orijinal dokuya benzer yapay deriüretmek için çal›flmalar yo¤un olarak devam edi-yor. Haziran 2000’de onay alarak piyasaya ç›kanbir di¤er yapay deriyse, polimer bir iskelet üzeri-ne yerlefltirilmifl hücrelerden olufluyor. Yeni gelifl-tirilen bu yapay deri insan derisine oldukça ben-ziyor. Yapay deri, orijinali gibi iki tabakadan olu-fluyor ve canl› hücrelerle birlikte yap›sal protein-leri de içeriyor. Yapay derinin üst tabakas›nda“keratinosit” denen hücreler bulunuyor. Bu hüc-reler insana nakledildikten sonra ço¤alarak sa¤-l›kl› deri hücrelerini oluflturuyor. Derinin alt taba-kas›ndaysa kollagen ve canl› hücreler bulunuyor.Yapay deri, insan vücuduna nakledildikten bir sü-re sonra, normal deri yap›s›n› al›yor. Orijinalineoldukça benzeyen yapay deri fleker hastal›¤›naba¤l› oluflan yaralar›n kapat›lmas› için kullan›l›-yor. Bu deriler yan›klar›n ya da damar hastal›kla-r›na ba¤l› cilt yaralar›n›n kapat›lmas›nda da kul-lan›labiliyor. Gerek ifllevsel aç›dan, gerekse yap›-sal olarak insan derisine benzeyen yapay derile-rin üretilmesi, özellikle yan›klardan sonra s›v›kayb›na ba¤l› ölümleri azaltarak insan hayat›n›uzatmas› aç›s›ndan büyük önem tafl›yor. Dokumühendisli¤indeki geliflmelere paralel olarak ya-pay deri üretiminde de her geçen gün ilerlemelerkaydediliyor. Çok yak›nda istenilen boyut verenkte deriler üretilerek tüm hasarl› deri bölgele-ri kapat›labilecek.

11Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

‹drar kesesi, yani mesanenin en önemli göre-vi, idrar› depolamak. Bu organ›n tam olarak id-rar› biriktiremedi¤i durumlarda kifli idrar›n› tuta-m›yor ve sürekli alt›na kaç›r›yor. Her ne kadarhayati bir organ olmasa da, idrar kesesi olmasay-d›, hayat son derece çekilmez olurdu. Kanser ne-deniyle idrar kesesinin ç›kart›lmas› gerekti¤i za-man, idrar ya do¤rudan ciltten ç›k›yor ya da ba-¤›rsak kullan›larak oluflturulan yapay kese içinedoluyor. ‹drar›n cilde a¤›zlaflt›r›lmas›, yaflam ka-litesini azaltt›¤› gibi, s›kl›kla da idrar yollar› en-feksiyonuna yol aç›yor. Bu tür ameliyatlardansonra uzun dönemde böbrekler zarar görebiliyor.Ba¤›rsaktan yap›lan idrar kesesinin de birçok sa-k›ncas› var. Bu keseler kas›lma özelli¤ine sahipde¤il. Ba¤›rsak kese içinde biriken idrar›n, ara-

l›kl› olarak sondayla boflalt›lmas› gerekiyor. Bunaek olarak ba¤›rsa¤›n kendi salg›lar›, idrar yoluenfeksiyonu için zemin haz›rl›yor.

Bilim adamlar› uzun süredir de¤iflik çözümleraray›fl›nda. Son 3-4 y›l içinde yapay mesane olufl-turma çal›flmalar› olumlu sonuçlar verdi. ‹drar›uygun flekilde depolayan ve istenildi¤inde boflal-tabilen yapay mesane, deneysel koflullarda olufl-turuluyor. Köpeklerin idrar kesesinden al›nan birparça doku örne¤i, laboratuvar koflullar›nda bü-yütülerek üç boyutlu mesane elde ediliyor. Bu-nun için ilk önce, idrar kesesinden al›nan parça-daki de¤iflik hücre türleri ayr›flt›r›l›yor. ‹drar ke-sesi esas olarak kas hücreleri ve iç yüzeyini kap-layan “mukoza” hücrelerinden olufluyor. Bu hüc-reler kültür ortam›nda dört hafta süreyle ço¤alt›-

l›yorlar. Belirli bir say›ya gelen hücreler, öncedenhaz›rlanm›fl olan polimer yap›s›nda ve küre flek-lindeki iskelet üzerine yerlefltiriliyor. Kas hücre-leri kürenin d›fl›na, mukoza hücreleriyse iç yüze-ye konuluyor. Bu ifllemi takiben belirli bir sürebekleniyor. Sürenin sonunda hücreler birleflerekbelirli bir kal›nl›kta hücre tabakas› oluflturuyor-lar. Sonuçta oluflan yap›, gerçek idrar kesesineçok benzeyen üç boyutlu bir flekil al›yor. ‹drar ke-seleri al›nan köpeklere nakledilen bu keseler,orijinali gibi ifllev görüyorlar. Bu flekilde yapayidrar kesesi nakledilen köpekler idrar biriktiripnormal olarak idrar yapabiliyorlar. ‹lk olarak1999 y›l›nda üretilerek köpeklerde denenen ya-pay idrar kesesinin insanlarda denenmesi için enaz 6-7 y›l daha geçmesi gerekecek.

idrar kesesi

deri

Yafl ilerledikçe eklemlerde a¤r›lar, yürü-mede zorluk bafll›yor; merdiven ç›kmak,oturdu¤u yerden kalkmak, kifli için bir ifl-kence haline geliyor. Bunun en önemli ne-deni, eklemler aras›nda bulunan k›k›rdakdokusunun zamanla erimesi. K›k›rdak doku-su genellikle büyük eklemlerde kemikleraras›nda yer alarak yumuflak ve kaygan biryüzey oluflturuyor. Bu yüzey sayesinde hare-ket etmemiz mümkün oluyor. K›k›rdak yü-zeyi afl›nd›kça, eklem aral›¤› pürtüklü biryüzey haline geliyor ve her harekette sür-tünmeye ba¤l› a¤r›lar olufluyor. K›k›rdakdokusu yaln›zca eklemlerde yer alm›yor.Burun ve kulak gibi organlara fleklini verende k›k›rdak. ABD’de ilk onaylanan yapay k›k›r-dak, bir diz ekleminden al›nan hasarl› k›k›rdakdokusundaki hücrelerden üretildi. “Kondrosit”denen hücreler deneysel koflullarda üretilerek ya-pay k›k›rdak elde edildi. K›k›rdak dokusunun di-¤er dokulardan en önemli fark›, içinde kan da-marlar›n›n olmamas›. K›k›rdak, damarlardan ge-len kanla de¤il, yüzeyinden içine s›zan s›v›larlabesleniyor. Kan›n süzülmüfl hali olan bu s›v›, k›-k›rdak hücreleri aras›na s›zarak onlara oksijen vebesinleri ulaflt›r›yor. K›k›rdak dokusu çok kal›nbir tabaka oluflturmad›¤› için bu flekilde beslen-mesi yeterli. Kan damarlar› olmad›¤› için yapayk›k›rdak oluflturmak, karaci¤er ya da kalp gibiorganlar› oluflturmaya göre daha kolay.

Günümüzde yapay k›k›rdak oluflturmak içinde¤iflik yöntemler kullan›l›yor. Bunlar›n ilki, k›-k›rdak hücrelerinin kültür ortam›nda üretilerekdaha önceden haz›rlanm›fl üç boyutlu iskeletlereyerlefltirilmesi yöntemi. Kendili¤inden eriyebilmeözelli¤ine sahip olan iskeletler üzerine yerlefltiri-

len k›k›rdak hücreleri ço¤alarak, istenilen flekildeüç boyutlu bir yap› haline geliyorlar. Oluflturulanbu yapay k›k›rdak dokusu istenilen bölgeye nak-ledilebiliyor. Di¤er bir yöntemse, süngerimsi biryap›n›n içindeki gözeneklerde k›k›rdak hücreleri-ni ço¤altmak. Süngerimsi yap›lar kollagen veGAG (glükozaminoglikan) içeriyor. Bunlar hücre-lerin büyümesi ve doku iyileflmesini h›zland›r›c›maddeler. Hücrelerin bar›nmas› ve ço¤almas› içingerekli ortam› sa¤layan süngerimsi yap›lar, birsüre sonra kendili¤inde eriyerek kayboluyorlar.Geriye k›k›rdak hücreleri ve bunlar› destekleyenara dokular kal›yor.

Yapay k›k›rdak oluflturulmas›nda son y›llardakat› iskeletler yerine jel k›vam›nda oluflumlar kul-lan›l›yor. Bilim adamlar›, k›k›rdak hücrelerininço¤almalar› ve büyümeleri için üç boyutlu kat› is-keletlerin gerekli olmad›¤›n› belirtiyorlar. K›k›r-dak hücreleri, “hidrojel” denen özel bir jel için-de de yetifltirilebiliyor. Hidrojeller büyük orandasu, ayr›ca hücreleri bir arada tutmaya yarayan

fibrin ve trombin denen yap›tafllar›n› daiçeriyor. Hidrojeller, dokular›n fleklinialabilecek elastikiyete sahip. Vücut d›fl›n-da üretilen üç boyutlu k›k›rdak dokular›yerine hidrojel içine yerlefltirilen hücre-ler, vücudun istenildi¤inde bölgelerineenjekte ediliyor. Üç boyutlu kat› yapayk›k›rdak dokusunu eklemlere yerlefltir-menin teknik zorluklar›, hidrojeller içinsözkonusu de¤il. Hidrojeller enjekte edil-dikleri eklemin fleklini al›yorlar. Bir süresonra hücreler ço¤alarak yapay bir k›k›r-dak dokusu oluflturuyorlar. Hücreleri birarada tutan hidrojelse bir süre sonra y›-k›ma u¤rayarak kayboluyor. Geri kalan

k›k›rdak hücreleri aras›nda oluflan kollagen lifle-ri yapay doku için gerekli deste¤i sa¤l›yor. K›k›r-daklar, vücudun en fazla bas›nca maruz kalanbölgeleri. Yapay k›k›rdaklar›n vücuttaki dayan›k-l›l›¤›n› art›rmak için jellerin kollagen ve GAG iledesteklenmesine çal›fl›l›yor.

Vücutta çok önemli görevleri olan k›k›rdakdokusunun yapay olarak üretilmesi, doku mühen-disli¤indeki büyük aflamalardan biri. Yaflla bozul-maya u¤rayan k›k›rdaklar›m›z›n de¤ifltirilmesi,adeta eskiyen araban›n tekerlek ve amortisörleri-nin de¤ifltirilmesi gibi çok daha kolay ve düzgünhareket edebilmemizi sa¤layacak. Yeni gelifltiri-len yapay k›k›rdaklar›n kemi¤e yak›n k›sm›ndakihücrelerin, kayganlaflt›r›c› bir salg› ürettiklerigösterildi. Yani yapay k›k›rdak kendi motor ya¤›-n› da üretebiliyor. Önümüzdeki 10 y›l içinde, bel-ki de 80-90 yafllar›nda bir insan, yapay k›k›rdak-lar sayesinde merdivenleri hiç a¤r› çekmeden iki-fler ikifler ç›kabilecek.

12 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

k›k›rdak

Baz› kemik hastal›klar›, tümörler ya da kötük›r›klar büyük kemik hasarlar›na yol açabiliyor.Kemik kayb› olan k›s›mlar›n onar›lmas› oldukçazor. Her ne kadar kemik dokusu kendisini yeni-leme yetene¤ine sahip olsa da, oluflan büyük bofl-luklar› dolduram›yor. Örne¤in tümör nedeniyleç›kart›lan 10 santimetrelik kemi¤in yeniden olu-flarak buray› doldurmas› mümkün olmuyor. ‹yibir kemik iyileflmesi için, kemik uçlar›n›n yak›n-laflt›r›lmas› ve karfl›l›kl› getirilmesi gerekiyor. Çe-flitli cerrahi tekniklerle kemik boyu uzat›larakboflluklar doldurulsa da, bu her hastadamümkün olam›yor ya da uzun süre al›yor.Kadavralardan al›nan kemiklerin nakliyse,ba¤›fl›kl›k sistemi engeliyle karfl›lafl›yor.Seramik ya da metal malzemeden yap›lankemikler de, uzun dönemde yabanc› cisimetkisi nedeniyle reaksiyona yol aç›yor. Bu-na ek olarak, yabanc› maddelerin yol açt›-¤› önemli sorunlardan biri de enfeksiyon.

Gelifltirilen yapay kemikler sayesindekemik kayb›na yol açan k›r›klar ya da has-tal›klar tedavi edilebilecek. Bilim adamlar›

gerçek kemik dokusuna oldukça yak›n bir yapaykemik dokusu oluflturmay› baflard›lar. Bu teknik-te ilk olarak, kemi¤in iç ve d›fl yap›s› kompüteri-ze tomografi (CT) ya da magnetik rezonans(MRI) tetkikleri yard›m›yla görüntüleniyor. Olu-flan bu görüntüler daha sonra bilgisayara aktar›-l›yor. Kemik, d›fl yüzeyi oldukça pürüzsüz ve içidolu gibi görünse de, ortas› bofl ve gövde k›sm›iyi organize olmufl ince tabakalardan, yani lamel-lerden olufluyor. Bu yap›, en ince hatlar›na kadarbilgisayara yüklendikten sonra üç boyutlu poli-

mer iskelet oluflturuluyor. Belirli bir zaman so-nunda kendili¤inden erime özelli¤ine sahip bu is-kelet, oldukça sa¤lam yap›da. Vücuda yerlefltiril-dikten bir süre sonra kemik hücreleriyle doluyor.Vücut kendi kemik dokusunu oluflturdukça bu is-kelet kayboluyor.

Son y›llarda yapay kemik çal›flmalar› daha daileri giderek yaln›zca flekil olarak de¤il, yap›salolarak da orijinaline çok yak›n yapay kemik olufl-turmay› baflard›. ‹nsan vücudundaki hücreleri vedokular› bir arada tutan, bir bak›ma tutkal göre-

vini gören “kollagen”, yapay kemik iske-leti oluflturmakta da kullan›l›yor. Bilgisa-yar yard›m›yla üç boyutlu ve kemik fleklin-de kollagen iskelet oluflturulduktan sonra,içine kalsiyum fosfat kristalleri yerlefltirili-yor. Bu kristaller iskelete kemik sertli¤iniveriyor. Vücuda nakledildi¤inde, kemikhücreleri bu yap›n›n içine doluflarak ço¤al-maya bafll›yorlar. K›sa bir sürede iskeletiniçi orijinal kemik dokusuyla doluyor. Böy-lece nakledilen yapay kemik, hastan›nkendi kemik dokusuyla kayn›yor.

kemik

Gözün en d›fl tabakas› olan kornea herhangibir nedenle hasara u¤ray›nca görüfl kapasitesiönemli ölçüde azal›yor. Baz› durumlarda hasar ka-l›c› olup körlü¤e kadar ilerliyor. Bu durumlardatek seçenek hasarl› korneay› yeni bir kornea ilede¤ifltirmek oluyor. Kal›c› ve ileri dereceli korneahasarlar›nda halen en s›k kullan›lan tedavi yön-temlerinden biri, kornea nakli. Teknik olarak çokfazla zorlu¤u olmayan bu yöntemde, kornea, ka-davralardan temin ediliyor. Kornea, k›k›rdak do-kusu gibi “difüzyon” yoluyla, yani besinlerin veoksijenin hücreler aras›na s›zmas›yla yaflam›n› de-vam ettiriyor. Kan damarlar›n›n olmamas›, korne-ay› ba¤›fl›kl›k sistemi aç›s›ndan avantajl› hale ge-tirmesine karfl›n doku reddini tam olarak ortadankald›rm›yor. Kornea hücreleri vücut taraf›ndan ya-banc› olarak kabul edilip reddedilebiliyor. Bunuengellemek için kornea nakli yap›lan hastalar›n,sürekli olarak ba¤›fl›kl›k sistemini bask›layan ilaç-lar kullanmalar› gerekiyor. Kornea naklinin bu vebenzer dezavantajlar› yapay kornea fikrini günde-me getirdi. Bilim adamlar›, büyük oranda su içe-ren ve polimer yap›s›nda olan jeller gelifltirdiler.“Hidrojel” denen bu yapay kornealar, esneme ye-tene¤ine sahip, elastik yap›lar. Hidrojel yapaykornealar, nakil için risk tafl›yan ya da ilaç kulla-n›lmas› istenmeyen hastalarda tercih ediliyor. Ya-pay korneay› yerlefltirmek için hastan›n kendi kor-neas›n›n bir k›sm› kesiliyor; kesilen yerde oluflanbofllu¤a hidrojel kornea naklediliyor. Bu korne-alar sayesinde, yasal olarak tam kör kabul edilenkiflilerin görmelerinde önemli ilerleme kaydedili-yor. Yapay kornealar halen normal görüfl sa¤la-masalar da, doku mühendisli¤i ve polimer kimya-s›ndaki geliflmeler sayesinde her geçen gün oriji-naline daha çok benzer hale getiriliyorlar.

13Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

kornea

Özafagus olarak adland›r›lan yemek borusu,kanser ya da yaralanmalara ba¤l› olarak hasar göre-biliyor. Çocuklarda ya¤ çözücü s›v›lar›n, lavobo aç›-c› ya da çamafl›r suyu gibi kimyasal maddelerin içil-mesine ba¤l› olarak yemek borusunda kal›c› hasar-lar ve daralmalar meydana geliyor. Yemek yemeyiengelleyecek flekilde oluflan hasarlar, ya da yemekborusunun ç›kart›lmas›n› gerektiren durumlarda ya-pay bir yemek borusu gerekiyor. Ba¤›rsak parçalar›yemek borusu olarak kullan›labiliyor. Ancak ba¤›r-sak, bu ifli tam olarak yerine getiremiyor. Ayr›ca sal-g›lad›¤› maddeler, yutma zorluklar› ortaya ç›kar›yor.

Hayvanlar›n derisindeki kollagen kullan›larak

yapay yemek borusu oluflturuldu. Burada ilk basa-mak, tip I kollagen içeren süngerimsi boru olufltur-mak. Üç boyutlu yap›s›n› koruyabilmesi için de, içi-ne silikon bir tüp yerlefltiriliyor. Yemek borusununalt ve üst uçlar› aras›na yerlefltirilen bu yapay tüp,birkaç hafta içinde di¤er dokularla kayn›yor. ‹ki haf-ta içinde süngerimsi borunun içi, hayvan›n kendiba¤ dokusu ve kollagen lifleriyle doluyor. Yaklafl›kbir ay sonra, yapay yemek borusunun içinde destekgörevi gören silikon tüp ç›kart›l›yor. Ba¤ dokusun-dan oluflan yeni yapay yemek borusunun içi 2-3 haf-ta içinde sindirim sisteminin iç yüzeyinde bulunan“mukoza” hücreleriyle kaplan›yor. Bir ay içinde ya-

pay borunun d›fl k›sm›nda kas hücreleri beliriyor.Bu hücreler, yemek borusunun ek yap›ld›¤› uçlardanbafllay›p ortaya kadar ilerliyorlar. Ço¤alan kas hüc-releri k›sa bir sürede iç ve d›fl olmak üzere iki taba-ka halini al›yor. Bu hücreler, yemek borusunun ka-s›l›p yemeklerin mideye itilmesini sa¤l›yorlar. Yapayyemek borusunun ba¤land›¤› uçlardan, hücrelerinfarkl›laflmas›n› ve olgunlaflmas›n› sa¤layan faktörle-rin salg›land›¤›, bunun da farkl› katlar oluflmas›nayol açt›¤› düflünülüyor. Yapay yemek borusu çal›fl-malar› henüz deneysel aflamada olsa da ifllevsel birorgan oluflturulmas› aç›s›ndan oldukça önem tafl›-yor.

yemek borusu

‹drar kaç›rma, kiflileri büyük s›-k›nt›ya düflüren rahats›zl›klardan bi-ri. ‹drar kaç›rman›n birçok nedenivar. ‹leri yaflta ve çok çocuk do¤uranbayanlarda ya da sinir sistemini etkile-yen baz› hastal›klarda görülen idrar ka-ç›rma, genellikle d›fl idrar yolunda bulu-nan ve kapak görevi gören kas›n za-y›flamas›na ba¤l› olarak ortayaç›k›yor. Butür hasta-larda, aya-¤a kalk›n-ca, yürü-y ü n c e ,öksürün-ce ya dagülünce idrar ani-den kaç›yor. Baz› du-rumlarda yatarken bileidrar› biriktirmek müm-kün olmayabiliyor. Çeflitliilaçlar, vücuda yerlefltirilenelektrodlar ya da yapay ka-pak görevi gören cihazlar,tedavi amaçl› kullan›lsa dahiçbiri sa¤l›kl› kaslar›n yerinialam›yor. Doku mühendisleri,laboratuvar koflullar›nda kashücreleri üreterek idrar ka-ç›rma sorununa çözüm ge-tirme yolunda önemli birad›m att›lar. Kas hücrele-rini üretmek için kök hüc-reler kullan›l›yor. Bununiçin uygun ortam sa¤lanarak,kök hücrelerin kas hücrelerinedönüflmeleri sa¤lan›yor. Bir süreiçin kültür ortam›nda bekletile-rek ço¤alt›lan ve olgunlaflt›r›lankas hücreleri “üretra” denen d›fl idrar kana-l› çevresine enjekte ediliyor. ‹drar› tutmay› sa¤la-yan kasl› bölgeye enjekte edilen bu hücreler, za-man içinde di¤er kas hücreleriyle kaynaflarak gö-revlerini yapmaya bafll›yorlar. Yap›lan çal›flmalar,bu hücrelerin di¤er sa¤l›kl› kas hücreleri gibi ka-

s›lma yetene¤ine sahip oldukla-r›n› gösteriyor. Hücreler, enjek-te edildikleri bölgedeki hasarl›kas hücrelerinin yerini ald›klar›için buradaki kas› daha da güç-lendiriyorlar. Bu sayede kaslar,idrar› tutmak için kapak görevini

daha iyi yap›yorlar. ‹drar kaç›rma sorununa bir

baflka çözümse, kifli-nin kendi hüc-

relerinin kül-tür ortam›n-da ço¤alt›lma-s›. Ço¤alt›lanhücreler özelbir sentetikjelle kar›flt›r›-

larak kifliye ye-niden enjekte edi-liyor. Bu kar›fl›m›n

enjekte edildi¤i yer-se, mesane boynu de-

nen, idrar kesesinin ç›-k›fl k›sm›. Hücreleri ba-

r›nd›ran jel vücutta eri-meye u¤rad›ktan sonra,hücreler ço¤alarak me-sane ç›k›fl›n› s›k›laflt›r›-yor. Doku mühendisli-¤inin bu konudaki songeliflmelerinden birdi¤eriyse, yapay id-rar kanal›, yani üret-

ra oluflturmak. Kolla-gen bir matriks üzerineyerlefltirilen kas hücrele-ri, do¤al bir üretra görevigörebiliyor. Yapay üretra,

insan üretras›ndaki küçükhasarl› bölgelerin tamirinde ba-

flar›yla kullan›ld›. Ancak FDA onay› almas› içinklinik çal›flmalar›n sonuçlar› bekleniyor. Yapayidrar kesesi ve yapay üretra birlikte kullan›larak,alt idrar sistemini tümüyle yenilemek mümkünolabilecek.

kas

Hastal›k ya da kazalar nedeniyle ifllev göre-mez hale gelen organ›n yerine sa¤l›kl› bir yeni-sinin de¤iflik yöntemlerle oluflturulmas›; günü-müzde hücre biyolojisi, polimer kimyas›, malze-me bilimi, biyomedikal mühendisli¤i ve biyokim-ya alanlar›n›n yer ald›¤›, çok disiplinli bir arafl-t›rma alan›d›r. Biyobozunur polimerleri bir orga-n›n destek malzemesi olarak kullanarak yapayorgan oluflturma giriflimleri son y›llarda h›z ka-zanm›flt›r.

Hepatit B ve C enfeksiyonlar›n›n yayg›n oldu-¤u ülkemizde, bu ve di¤er karaci¤er hastal›klar›-n›n komplikasyonu olarak, her y›l binlerce hastaakut karaci¤er yetmezli¤ine yakalan›yor, bunla-r›n önemli bir bölümü karaci¤er nakli için uygunverici bulunamad›¤› için kaybediliyor. Akut kara-ci¤er yetmezli¤ine yakalanan ve verici beklemesüresince bir karaci¤er deste¤ine gereksinim du-yan pek çok hastan›n yaflam›n›n doku mühendis-li¤i uygulamalar›yla uzat›labilece¤i düflünülerek,insan çal›flmalar› öncesinde deneylerin bir hay-van modelinde gerçeklefltirilece¤i bir çok disip-linli proje oluflturulmufl durumda. TÜB‹TAK, GenMühendisli¤i ve Biyoteknoloji Araflt›rma Enstitü-sü’nde bu konuda 2001 y›l›nda bafllat›lan, Tek-noloji ‹zleme ve De¤erlendirme Baflkanl›¤› (T‹-DEB) destekli bir EUREKA projesi olan “Karaci-¤er yetmezli¤inde ifllev yapabilecek bir yapay ka-raci¤erin biyopolimerler kullan›larak eldesi, kap-sam›nda çal›flmalar sürdürülüyor.

Bu projede, biyobozunur biyopolimerler üze-rine yerlefltirilen karaci¤er hücrelerinin ço¤alma-lar›, dokusal organizasyonu tamamlayarak ifllev-sel bir yapay karaci¤er oluflturmalar› amac›yla,hücre kültürü (in vitro) ve canl› hayvan deneyle-rinin (in vivo) gerçeklefltirilmesi hedeflenmekte.Hücrelerin elde edilmesi ve hayvan deneyleri için,bir laboratuvar deney hayvan› olan Sprague-Daw-ley s›çanlar› kullan›l›yor.

Hedefe varmak için birbirinden farkl› üçalanda deneyler yap›l›yor. Bunlardan biri, biyo-bozunur biyopolimerlerin oluflturulmas›. Bunlar,üzerine eklenen sa¤l›kl› hücrelerin tutunup ço-¤almas› için bir destek, iskelet ifllevi üstleniyorve hücrelerin ço¤al›p istenen organ›n hacmi veifllevine eriflme sürecine paralel olarak, vücuttareaksiyon yaratmayan küçük moleküllere ayr›fla-rak ortadan kalk›yorlar. Projede bu biyopolimer-ler, dünyada da bu amaçla çok kullan›lan laktikve glikolik asit monomerleriyle oluflturuluyorlar;ancak, hücrelerin özgün olarak bu yap›ya tutun-malar›n› sa¤layacak molekülleri de bu polimerle-re katmak yoluyla, bu çal›flmalar bir ileri aflama-ya tafl›nm›fl durumda.

Vücudumuzdaki dokularda hücrelerin tutun-malar›, çeflitli proteinlerden oluflan ve hücre-d›fl›matriks (extra-cellular matrix/ESM) olarak adlan-d›r›lan bir organize protein tabakas›yla etkileflimyoluyla gerçeklefliyor. Bu, hücre yüzeyindeki pro-teinlerin ESM proteinleriyle etkileflimlerine daya-n›yor ve hücrenin bulundu¤u dokunun içindekiyerini belirlemesini, bir anlamda “hissetmesini”sa¤l›yor. Doku mühendisli¤inde çözümlenmesigereken temel sorun, hücrelerin bulunduklar›yeri do¤ru alg›layarak hem özgün olarak tutun-

malar›n› sa¤layan, hem de fenotiplerinin; yanibelirli bir hücreyi o hücre yapan özelliklerin kay-bolmas›n› önleyen bir biyomateryali oluflturabil-mek ve kullanmak. Bu amaçla, ESM proteinleri-ne ait peptit dizileri, grubumuzda oluflturulan bi-yopolimerlere ekleniyor.

Bir di¤er çal›flma konusu, karaci¤er hücreleri(hepatositler)’dir. Projede kullan›lan karaci¤erhücreleri, sa¤l›kl› hayvanlardan enzim perfüzyo-nuyla izole edilerek kültür ortam›nda inceleniyor-lar. Bu hücreler, bulunduklar› dokudan ç›kar›la-rak yerlefltirildikleri kültür ortam›nda, fenotiple-rini yani karaci¤er hücresi olma özelliklerini h›z-la kaybederler. Bunu önlemek amac›yla çeflitliyaklafl›mlar denenmekte. Bu da dünyada üzerin-de çok çal›fl›lan bir sorun. Bu de¤iflimleri hücre-lerde gen ve protein ifadeleri ölçülerek izleniyor.Bu amaçla, modern moleküler biyoloji yöntemle-ri olan kantitatif revers transkriptaz-polimerazzincir reaksiyonu (hücrelerdeki mRNA’lar›n izo-lasyonu, bunlardan cDNA oluflturulmas› ve sonra-s›nda ilgilenilen genin polimeraz zincir reaksiyo-nuyla ço¤alt›larak ölçülebilir hale getirilmesi yön-temi, Q RT-PZR) ve Western blotlama (hücreler-deki tüm proteinlerin izolasyonu, jel elektrofore-zi ile ayr›lmalar›, bir zara transfer edildikten son-ra ilgilenilen proteinin peroksidaz ya da kemilü-

minesans gibi bir sinyal yayan antikorla iflaretlen-mesi ve sinyalin ölçülerek protein miktar›n›n be-lirlenmesi yöntemi) gibi teknikler kullan›l›yor.

Projedeki üçüncü çal›flma alan›, doku mühen-disli¤inde her hücre-biyopolimer implant›nda kar-fl›lafl›lan önemli bir sorun: biyopolimer yap›n›niçindeki hücrelerin beslenme ve oksijenlenmesi.Birkaç yüz mikrondan daha kal›n yap›lar›n içinebesin ve oksijen difüzyonu olmuyor ve bunlardadamarlanma (anjiyogenez) yoluyla k›lcal damaroluflumu gerekiyor. Dünyada ileri laboratuvarlar-da üzerinde yo¤un çal›flmalar›n sürdü¤ü bu “imp-lant damarlanmas›”n›n gerçekleflmesi için, ama-c›yla, damarlanmay› uyar›c› bir protein olan vas-küler endotelyal büyüme faktörü (VEGF)’nün bi-yopolimer yap›dan ortama yay›lmas› (sal›m›) sa¤-la›yor. Bununla hedeflenen, implant çevresindekidokulardan k›lcal damarlar›n implant içine gelifl-meleri ve kanlanman›n oluflmas›, VEGF proteini-ni ortama kontrollü olarak salmak amac›yla, için-deki maddeyi kontrollü sal›m ile serbestleyenmikrokürelerin sentez ve karakterizasyonu üze-rinde çal›flmalar sürmekte.

2004 y›l›nda, hücre-biyopolimer-mikrokürekar›fl›mlar›n›n hayvanlara cerrahi giriflimlerleimplante edilmesiyle yap›lacak in vivo deneylerinbafllamas› hedeflenmekte. Bu projede elde edile-cek baflar›l› sonuçlar, insanlarda da çal›flmalar›nplanlanabilmesini sa¤layacak.

Enstitünün temel misyonuna uygun olarak,bu projede çal›flmalar, özel kurulufllar ve üniver-sitesiyle iflbirli¤i yap›larak yürütülmekte. EURE-KA proje orta¤› olan Eczac›bafl› ‹laç Sanayii ilemikroküre çal›flmalar›nda; Kocaeli Üniversitesi,Çocuk Cerrahisi Anabilim Dal› ile de hayvan de-neylerinde süren iflbirlikleri, projenin ilerlemesin-de önemli bir faktör.

D o ç . D r . K e m a l B a y s a lTÜB‹TAK, Gen Mühendisli¤i ve

Biyoteknoloji Araflt›rma Entitüsü

14 Nisan 2004B‹L‹M veTEKN‹K

biyobozunur biyopolimerler

Bilindi¤i gibi vücudumuzdaki doku veorganlar; canl› hücreler ve bunlar› birara-da tutan “hücre d›fl› matris” (extracellularmatrix, k›saca ECM)’ten olufluyorlar. ECMkarmafl›k yap› ve iflleve sahip bir iskeletgibi düflünülebilir. Bileflimi, doku ve or-ganlar›n özellik ve ifllevine göre de¤ifliyor.Örne¤in, kemi¤in sertli¤ini ve uzamas›n›etkilerken, k›k›rda¤›n direncini, kan da-marlar›n›n bas›nca dayan›m›n› ve esnekli-¤ini, derimizin elastikli¤ini ayarl›yor.ECM’in bir di¤er önemli rolü de, hücreüremesi, geliflmesi ve yara iyileflmesi s›ra-s›nda, çözünebilen yap›daki sinyal mole-küllerini salmas›. Çünkü ECM, bu sinyalmoleküller için bir depo oluflturuyor. “Bü-yüme faktörleri” olarak da bilinen bu mo-leküller büyüme, farkl›laflma, salg›lama veölüm gibi çeflitli hücresel ifllevleri düzenliyorlar.Her biyosinyal, hücre yüzeyinde bulunan ve yal-n›zca o faktörü tan›yan bir almaca (reseptör) sa-hip. Biyosinyaller bu almaca ba¤lanarak hücreselifllevleri etkinlefltirmeye bafll›yorlar. Ancak, sin-yal molekülleriyle hücre aras›ndaki etkilefliminmekanizmas› henüz tam olarak anlafl›lamam›fl.

Biyosinyaller, genlerin ürünü olan küçük pro-tein molekülleri. Baz›lar› ifllevsel aç›dan son de-rece özgülken, kimileri daha genifl bir etkinli¤esahipler. Çeflitli biyosinyal moleküller mevcut.Hepatosit büyüme faktörü (HGF), epidermal bü-yüme faktörü (EGF), eritropoietin (Epo), fibrob-last büyüme faktörü (FGF), insüline benzer büyü-me faktörü (IGF), interlökinler, sinir büyüme fak-törü (NGF), damar endotel büyüme faktörü(VEGF), doku mühendisli¤i aç›s›ndan önemli olanbiyosinyallerden baz›lar›.

Gelelim biyosinyallerin doku mühendisli¤in-deki rolüne...

Doku hasar›n›n onar›m›nda de¤iflik yaklafl›m-lar mevcut. E¤er onar›lacak dokunun, yenidenyap›lanma (yani rejenerasyon) kapasitesi yüksekse, hasarl› bölgeye yerlefltirilen 3-boyutlu ve biyo-bozunur yap›daki “doku iskeleti” üzerinde, çev-redeki sa¤l›kl› dokudan göç eden hücrelerce ye-ni doku oluflturulacakt›r. Ancak dokunun yenidenyap›lanma potansiyeli düflükse, bofl doku iskele-

ti yeterli olmaz, bu durumda hücrelerin ve biyo-sinyallerin ortama eklenmesi gerekir. Bu nokta-da akl›m›za gelen ilk soru, “acaba biyosinyallerinereye ve hangi yöntemle ekleyelim?” olacak.Kuflkusuz en basit yöntem, biyosinyalleri hücreüremesinin oldu¤u yere enjekte etmek. Ama buyöntem etkili olmuyor. Çünkü biyosinyaller çokk›sa sürede (yaklafl›k 1 günde) hasarl› bölgeden

h›zla d›flar›ya do¤ru uzaklafl›yorlar.Uzun süreli etki, “kontrollü ilaç sal›msistemleri”nin devreye sokulmas›ylasa¤lan›yor. Bu yöntemde, biyosinyal birtafl›y›c› içine hapsedilerek, etki göstere-ce¤i bölgeye gönderiliyor. Böylelikle,biyosinyal molekül, hem ortamdaki bo-zucu etkilerden korunmufl oluyor, hemde etkinli¤ini uzun süre devam ettiri-yor.

Biyosinyali tafl›yan yap›, ço¤unluklabir polimer. Kollajen, jelatin, aljinat,agaroz gibi do¤al polimerlerin yan›s›rapoli (laktik asit) (PLA) temelli yapay po-limerler ve hidroksiapatit gibi biyosera-mikler, kullan›lan bafll›ca tafl›y›c›lar.

Yap›lan bir çal›flmada, fibroblast bü-yüme faktörü (FGF) içeren jelatin kap-

süller, fare s›rt›nda aç›lan yaraya yerlefltirildikle-rinde bu bölgede yeni damarlar›n olufltu¤u göz-lenmifl, FGF ayn› bölgeye enjekte edildi¤indeysedamar oluflmam›fl. Bu durum, FGF’nin enjeksiyonsonras›nda bu bölgeden h›zl› biçimde uzaklaflma-s›na ba¤lanm›fl. FGF yüklü jelatin tafl›y›c›lar›n ke-mik onar›m› aç›s›ndan etkinlikleri, tavflan ve may-munlardaki kafatas› kemiklerinin onar›m›nda in-celenmifl. Maymunda kafatas›ndaki bir aç›kl›¤ayerlefltirilen FGF yüklü tafl›y›c›n›n, bu bölgedekikemik onar›m›n› h›zland›rd›¤› ve 21 gün sonraaç›kl›¤› neredeyse tamamen ortadan kald›rd›¤›gözlenmifl.

Protein yap›daki bir biyosinyalin kullan›m›naseçenek olarak, bu molekülü kodlayan bir genledoku mühendisli¤i için bir deneme yap›lm›fl.E¤er, bir biyosinyal molekülü kodlayan gen, ha-sarl› bölgedeki hücrelere aktar›lacak olursa (gentransferi), hücrelerin doku yenilenmesini sa¤laya-cak boyutta büyüme faktörü salg›lamalar› müm-kün olabilir. VEGF, FGF ve TGF gibi büyüme fak-törleri için bu tür gen tedavilerinin mümkün ol-du¤u baz› hastal›klar rapor edilmifl. Fakat, gentransferi için vektör (tafl›y›c›) gelifltirilmesi bualandaki en büyük problem; çünkü flu an kulla-n›mdaki vektörler ya uygun biyogüvenli¤e ya dayeterli etkinli¤e sahip de¤iller.

Sonuç olarak, vücut dokular›n›n yeniden yap›-lanmas›nda çok çeflitli biyosinyal molekül etkin.Ancak, henüz hangi biyosinyallerin anahtar ko-numda oldu¤u aç›k de¤il. Biyosinyal molekülleribu amaç için kullan›ld›kça, kontrollü sal›mlar› davazgeçilmez olacak. Doku mühendisli¤i henüz ilkad›mlar›n› atmakta olan genç bir bilim dal›, kont-rollü sal›m teknolojisi de oldukça yeni bir alan.‹ki teknolojinin ortak meyvelerinin toplanmas›,biraz daha zaman alacak gibi gözüküyor.

Prof. Dr. Menemfle Gümüflderelio¤luArfl. Gör. Hilal Türko¤lu

Hacettepe Üniversitesi, Kimya Mühendisli¤i veBiyomühendislik Anabilim Dallar›

15Nisan 2004 B‹L‹M veTEKN‹K

biyosinyaller vedoku mühendisli¤i

Biyosinyaller (flematik)

Hücresel ifllevler

Hücre-ECM etkileflimi

Hücregöçü

HücreMatris

etkileflimi

Hücreüremesi

Hücrefarkl›laflmas›

Biyosinyaller

Reseptörler

ECM Reseptörleri

ECM