Bilindiği gibi son 20 yılda travmatik beyin hasarları önemli ölçüde artmıştır. Yetişkin beyni sınırlı rejeneratif kapasiteye sahiptir. Bu nedenle, bilişsel, motor ve psikotik bozukluğu dahil çeşitli semptomlara neden olduğu gibi kalıcı doku yaralanmaları da oluşabilir. Şimdiki klinik tedavi stratejileri, doku kaybını en aza indirmeye ve semptomların hafifletilmesine odaklıdır. Ayrıca, bu tedavilerin etkinliği sınırlı olup bazıları istenmeyen yan etkilere de neden olur. Beyin dokusunun yenilenmesini sağlayan veya indükleyen teknolojiler hala gelişimin erken aşamalarında, ancak uyarılmış pluripotent kök hücrelerin kullanımı beyin devrelerini modelleme ve yeniden yapılandırma olanağını açmıştır.
Yapay modeller sağlıklı ve hastalıklı beyin dokusunda bölgesel hücre çeşitliliği kalıplarının deşifre edilmesine yardımcı olabilir. Sinirsel mikro ortamları taklit eder [2]. Bu bağlamda, biyomalzemeler; doğal serebral dokuyu yeniden oluşturabilen, nöral büyümeyi desteklemek ve terapötik sonuçların ayrıntılı analizine izin vermek için büyüme faktörleri veya bağışıklık modüle edici bileşenleri sağlayabilen dinamik bir uyarıcı platform olarak işlev görebilir. Son 30 yılda, deriden kalp kapakçıklarına, idrar kesesine ve kıkırdağa kadar çeşitli dokuların yenilenmesini destekleyen biyomalzeme teknolojilerindeki ilerlemelere tanık olduk. Bununla birlikte, beyin gibi merkezi sinir dokuları, doğal karmaşıklıkları nedeniyle bir sorun olmaya devam etmektedir. Son zamanlarda, giderek artan disiplinler arası çalışmalar, beyindeki homeostaz ve hastalık ilerlemesinin mekanizmaları hakkında yeni bir anlayış geliştirmek, aynı zamanda keşfetmek için kimyasal ve fonksiyonel görüntüleme, hayvan modelleri ve doku mühendisliği gibi alanları birleştirmektedir.
Doku mühendisliğinde biyomalzemelerin doğal özellikleri kullanılarak tedavi amaçlanmaktadır. Birkaç doku mühendisliği yaklaşımıyla gerçekleştirilen tedavi metodlarını inceleyelim.
Örneğin Zhu ve arkadaşları hücresel bileşenleri kaldırmak, yapısını ve içsel nörotrofik proteinleri ayrıca büyüme faktörlerini korumak için hücresizleştirme protokolü ile elde edilen bir beyincik iskelesi ürettiler. Hücresizleştirilen iskele ile oluşturulan idrar kesesi hücre dışı matriksi (ECM), yaygın olarak kullanılan bir malzeme ile karşılaştırıldığında daha yüksek büyüme faktörü içeriği (BDNF ve NGF) vardır. İskele, nöral kök hücrelerin (NSCs) in vitro (laboratuar ortamında ) hayatta kalmasını, çoğalmasını ve farklılaşmasını desteklemiştir [3].
Bir diğer çalışma ise; Clark ve ark. tarafından gerçekleştirilen biyouyumlu ve biyobozunur silindirik fibrin içeren iskele, endojen nöral progenitor hücreleri (NPCs) eklenerek Parkinson hastalığına tedavi çalışması yapılmıştır. Ayrıca yapılan bu ekleme sonucunda herhangi bir tümör oluşumu veya iltihaplanma gözlenmemiştir [4].
Hidrojeller şeklindeki biyomalzemeler, hidrofilik ağlarından dolayı beyin dokusu mühendisliği yaklaşımları için çekici özelliklere sahiptir. Hidrojeller, beynin yumuşak dokusuna benzetilebilir bununla beraber yüksek oksijen geçirgenliği ve besin alışverişini sağlar.
Winter ve ark. biyoaktif kolajen matriks içeren tübüler agaroz hidrojeller ile mikro kolonlar geliştirdi [5].
Harris ve ark. daha karmaşık bir mikro doku mühendisliği sinir sistemi geliştirdiler. Gri ve beyaz maddeyi taklit etmek için hidrojel mikro-sütunlar üzerinde tutunan olgun primer kortikal nöronlar ve uzun aksonal yollar içeren ağlar oluşturdular. Beyin kıvrımına benzer malzeme üretebilmek amacıyla 22 gün boyunca karboksimetilselüloz eklendi. Böylece beyne iğnesiz implantasyon sağlandı [6].
Zhu ve ark. Polycaprolactone (PCL) kullanarak elektrospinning yoluyla iskele üretti [7].
Çok yakın zamanda yapılan çalışmalardan biri ise Madrid Politeknik Üniversitesi (UPM) araştırmacısı Daniel Gonzalez-Nieto, nakledilen kök hücrelerin beynin hayatta kalmasını artırabilen, inme veya beyin hasarı sonrası iyileşmeyi artırabilen ipek bir biyomateryal geliştirdi.Bu çalışma, kök hücreleri ipek proteinleri içeren bir biyomateryale kapsüllemenin, hücreleri koruyabildiğini ve farelerde inme tedavi edilirken önemli ölçüde daha uzun süre dayanabileceğini göstermiştir. Kapsüllenmiş kök hücreler, lezyonun boyutunu küçültebildi ve yaralanmaya bitişik beyin alanlarının yeniden şekillenmesini teşvik edebildi bunun yanı sıra nöronların inmeden sonra kaybedilen fonksiyonların kontrolünü ele geçirmesini sağladı [8].
İpek gerçekten de tıbbi biyoteknoloji uygulamalarında popüler bir biyomateryal haline gelmiştir. İtalya'da Silk Biomaterials şirketi, periferik sinirlerdeki hasarı onarmak için ipek iskeleler geliştirmektedir. Daha güçlü aşılar oluşturmak için ipek proteinleri de kullanılmaktadır. Sonuç olarak; beynin karmaşıklığı göz önüne alındığında birçok çeşit yöntem denenmiş olsa da hala beyin ile ilgili birçok hastalığa çözüm bulunamamış biyomalzemeler kullanılarak yeni çalışmaların yapılması zaruret haline gelmiştir.
Terapötik ilaçlar ve hücre iletimi, trofik destek veya hücre replasmanı sağladıkları için beyin iyileşmesi için cazip stratejilerdir, ancak vücuttan veya hücrelerin temizlenmesinin dezavantajına sahiptir, bu da terapötik etkilerini tehlikeye atar. Biyomalzemelerin kullanımı, biyoaktif maddeleri stabilize ederek, sürekli bir salımı teşvik ederek ve ilgili hücreler tarafından tanınacak olan (sistemik uygulamaların yan etkilerinden kaçınarak) moleküller tarafından hedeflenen bir yaklaşıma izin vererek bu sınırlamaya yardımcı olur.
Doğal bazlı biyomalzemelerin diğer çekici özellikleri, biyolojik olarak bozunabilirlikleri, sito uyumlulukları ve nakledilen hücrelerin aşılanması, hayatta kalması, çoğalması ve farklılaşması üzerindeki doğal biyolojik etkileri ile ilgilidir. Dahası, malzemelerin çok yönlülüğü, daha etkili ve çok disiplinli bir yaklaşım için diğer bileşiklerle kombinasyona izin verirken, çeşitli patolojilere geniş uygulamalarına izin verebilir. Çok yönlü hastalıklarla mücadele etmek için çeşitli bileşenleri birleştirmek yoluyla, araştırmaları beyin hastalıklarından fonksiyonel bir iyileşmeye bir adım daha yaklaştırarak birden fazla olaya (örneğin iltihaplanma, nöral hücre ölümü / kanser hücreleri görüntüleme ve hedefleme) değinmek mümkündür. Bununla birlikte, tam iyileşme sağlanmadan önce, özellikle de elde edilen araştırmanın kliniklere dönüştürülmesindeki zorluklar ve hastalığın tam olarak doğrulanması için gereken zaman ve masrafların üstesinden gelinmesi gerekmektedir.
Bilimle kalın :)
KAYNAKÇA
1) https://www.frontiersin.org/research-topics/5874/biomaterials-for-brain-therapy-and-repair (Resim)
2) Sara Pedron and Brendan A. C. Harley, ‘Biomaterials for Brain Therapy and Repair’, 2018 doi: 10.3389/fmats.2018.00067
3) Zhu T, Tang Q, Shen Y, Tang H, Chen L, Zhu J (2015) An acellular cerebellar biological scaffold: preparation, characterization, biocompatibility and effects on neural stem cells. Brain Res Bull
4) Clark AR, Carter AB, Hager LE, Price EM (2016) In vivo neural tissue engineering: cylindrical biocompatible hydrogels that create new neural tracts in the adult mammalian brain. Stem Cells
5) Winter CC, Katiyar KS, Hernandez NS, Song YJ, Struzyna LA, Harris JP, Kacy Cullen D (2016) Transplantable living scaffolds comprised of micro-tissue engineered aligned astrocyte networks to facilitate central nervous system regeneration Acta Biomater 38:44–58. https://doi.org/10.1016/j.
6) Harris JP, Struzyna LA, Murphy PL, Adewole DO, Kuo E, Cullen DK (2016) Advanced biomaterial strategie to transplant preformed micro-tissue engineered neural networks into the brain. J Neural Eng 13(1):16019. https://doi.org/10.1088/1741-2560/13/1/016019
7) Zhu X, Ni S, Xia T, Yao Q, Li H, Wang B et al (2015) Anti-neoplastic cytotoxicity of SN-38-loaded PCL/ Gelatin electrospun composite nanofiber scaffolds against human glioblastoma cells in vitro. J Pharm Sci 104(12):4345–4354. https://doi.org/10.1002/jps.24684
8) D. González-Nieto et al. Polymers 2018, 10(2), 184