Tendon doku mühendisliği, disiplinler arası mühendislik stratejileri ile tendonu kısmen işlevselleştiren yaklaşımlara karşı tam tendon iyileşmesini amaçlamaktadır.
Bu amaç doğrultusunda kullanılan doku iskeleleri hücre proliferasyonunu arttırıp, matriks üretimini destekleyerek ve matrisi işlevsel tendon dokularına organize ederek tendogenezi arttırabilir. Ayrıca tendogenez hücresel hibridizasyon, yüzey modifikasyonu, büyüme faktörleri ve mekanik stimülasyon gibi işlemlerle daha da kolaylaştırılabilmektedir. Bölgesel iyileştirmelerde kullanılan doku iskeleleleri yalnızca hücre çoğalmasını ve farklılaşmayı teşvik etmekle kalmayıp aynı zamanda doğal ekstraselüler matriks kompozisyonunu ve tendonun histolojik yapısını da restore etmelidir [29].
2.6.1. Doğal Doku İskeleleri
Doğal doku iskeleleri, yapısı gereği doğal kaynaklı olup, parçalanma ürünleri canlı metabolizmada kolayca absorbe edilebilen iskelelerdir. Bu iskelelere kolajen, glikozaminoglikanlar, kitosan ve aljinat örnek verilebilir. Doğal malzemenin avantajı düşük toksisiteye sahip olmaları ve inflamasyon riski taşımamalarıdır. Bu
20
malzemeler, diğer doğal malzemeler ya da sentetik polimerler ile bir kompozit hale getirilebilir ve doğal olarak metabolizmada bulunan enzimler tarafından degrade edilebilir. Bununla birlikte bazı dezavantajlarına bakacak olursak zayıf mekanik dirence sahip olmalarının yanı sıra karmaşık bir yapı içerdiklerinden manipülasyonları zordur. Kolaylıkla denatüre olabilirler, genellikle de çalışmalarda kullanılırken kimyasal modifikasyonlara ihtiyaç duyarlar. Bu durumdan ötürü iskelelerin toksisitesi artarak hücrelere zarar verebilmektedir. Tendon doku mühendisliğinde en yaygın olarak kullanılan doğal iskele çeşidi, tendon yapısında da çok fazla miktarda bulunan kolajendir. Kolajen bağ dokuların doğal bir bileşenidir ve mekanik destek sağlayan ekstraselüler matrikse ait önemli bir proteindir. Bu protein yapısı uzun, sağlam, üçlü sarmal ve lifli olma gibi özelliklere sahiptir.
Çoğunlukla kıkırdakta baskın olan tip II, ciltte ve kemikte tip I ve kan damarlarında baskın kolajen çeşidi tip III kolajendir. Daha önce de bahsedildiği gibi doğal materyaller mutlaka kimyasal modifikasyona ihtiyaç duyarlar, kolajende de çapraz bağlanma basamağının gerçekleştirilmesi için çeşitli kimyasal modifikasyonlar gerekmektedir. Ayrıca kolajen, yüksek üretim maliyeti, immonojenik riskler taşıması ve üretim bazında stabil olma zorluğu gibi dezavantajlara da sahiptir [38].
Fibrin, tendon doku mühendisliğinde sıkça tercih edilen bir diğer doğal malzemedir.
Kan pıhtılaşmasıyla ile doğal olarak oluşan fibrin yara üzerinde homeostatik bir tıkaç oluşturmak üzere polimerize olan lifli bir proteindir. Bu lifli protein biyolojik olarak degrade olabilen ve absorbe olabilen bir yapıya sahiptir. Bu özellikleri ile kolajen fibrilasyon oluşumunu destekleyici olarak, biyolojik cevabı uyaran büyüme faktörlerinin kontrollü olarak verilmesiyle tendon rejenerasyonunda kullanılmaktadır [39].
Tendon doku mühendisliğinde farklı biyomalzemelerin kombinasyonu ile hibrit iskele elde etmek önemli bir stratejik yaklaşımdır. Shimode ve ark. tarafından 2009 yılında yapılmış bir çalışmada sünger matriks şeklinde ipek/kolajen doku iskeleleri yapılmış bunun yanı sıra bu matrikste fibroblast yapışmasını desteklemek için aljinat/kitosan hibrit lifler eklenmiştir [40].
Doku mühendisliğinde seçilen iskele spesifik çalışma dokusunun ihtiyaçlarını da karşılamalıdır. Tendon lifleri paralel olarak düzenlenmiştir. Doğal tendon fibrilleri gibi yönlendirilen kolajen lifleri, yanlış hizalandırılmış kolajen iskele ile
21
karşılaştırıldığında fibroblast ve tenositlerin proliferasyonunu daha çok desteklediği görülmüştür. Ayrıca yapılan başka bir çalışmada ise hizalanmış liflere prolifere olmuş fibroblasların çekme dayanımını arttırdığı ve ekstraselüler matriks oluşumunu desteklediği sonucu bulunmuştur. İskele diziliminin önemi, bir hücrenin alt tabakasının yapısal, kimyasal ve mekanik özellikleriyle ilişkili yönlerde prolifere olma olasılığının en yüksek olduğu tems rehberliği teorisi ile açıklanabilmektedir [41].
Bir diğer doğal iskele malzemesi olan ipek, hücre proliferasyonunu ve ekstraselüler matriks üretimi destelemektedir. İpek liflerinin organizasyonunun değiştirilmesi ile tendon dokusuna benzer mekanik özelliklere sahip doku iskelesi materyali üretmek mümkündür. Yapılan çalışmalarda ipek ve kolajenle oluşturulmuş hibrit doku iskelelerinin tendonda mekanik gerilme dayanıklılığını arttırdığı gözlemlenmiştir.
İpeğin başka bir formu olan Bombyx ipeği tendon doku mühendisliğinde iyi bir hücre proliferasyonu gösteren ve sitotoksik olmayan başka bir doğal iskele çeşididir. Son yıllarda yapılan çalışmalar Bombyx ipeğinden yapılan doku iskelelerinin tenositlerin üremesini desteklediği ve oluşan greftin, doğal tendonla kıyaslandığında çekme dayanımı ve young modülü bakımından eşit sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar Bombyx ipeğinin tendon doku mühendisliğinde mekanik dayanım açısından stabil bir doku iskelesi olduğunu göstermektedir.
Kitosan tendon GAG’larının kimyasal yapısında da bulunan, glikozamin kalıntılarından oluşan kitinden türetilmiş bir polisakkarit materyaldir. Hidrofilik yapısı ve glukozamin grupları sebebiyle biyodegrade olabilen biyofonksiyonel bir yapıya sahiptir. Bu nedenle kitosan, iskeletlerin mekanik bütünlüğünü güçlendirirken aynı zamanda amin gruplarının varlığına bağlı olarak mükemmel hücre proliferasyonuna neden olmaktadır. Son yapılan çalışmalarda kitosanın tek başına kullanımı yerine hibrit iskele elemanı olarak kullanımında daha çok başarılı sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Tendon doku mühendisliği için kitosan kolaylıkla işlenebilen, biyouyumlu doğal bir materyaldir. Ancak kitosan üzerine yapılan literatür çalışmalarının daha çok hayvan modelleri ile desteklenmesi gerekmektedir [42].
2.6.2. Biyolojik Doku İskeleleri
Deselülerize edilmiş allojenik veya ksenojenik dokular tendon doku mühendisliğinde kullanılan bir başka iskelet türüdür. Bu iskeleler doğal yapısını muhafaza ederek biyomekanik dayanımlarını korumaktadırlar. At perikardı, sığır dermisi gibi bazı
22
biyolojik iskeleler Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından onaylanmış ve ticari satışına izin verilmiştir [43]. Dokular, konak immün reaksiyonunu başlatabilecek materyali yani DNA ya da RNA kalıntılarını dokudan uzaklaştırmak için katı temizleme, lipidlerin alınması, DNA’nın uzaklaştırılması, iskele çapraz bağlanması ve sterilizasyon gibi işlem basamaklarına tabi tutulmaktadır.
Deselülerize iskeleler doğal ekstraselüler matrikleri (ECM) olduğundan hücre proliferasyonu, gaz/besin/metabolit difüzyonu ihtiyacı için ideal ortamı sağlamaktadırlar. Deselülerizasyon işlemi kimyasal, fiziksel ve enzimatik olmak üzere 3 çeşittir. Deselülerizasyon işlemlerinde metot ne olursa olsun mutlaka dezavantajları da göz önüne alınmalıdır.
Enzimatik yöntemde dokular hayvansal kaynaklı enzimlerle muamele edilerek deselülerize edilir. Dokudan tam olarak uzaklaşmayan DNA kalıntılarından dolayı immünojenik tepkilerle karşılaşılabilmektedir.
Kimyasal yöntemle deselülerizasyonda, kimyasalların dokudan tam arıtılamamış olması hücreler için toksik etki yaratabilmektedir. Fiziksel yöntemlerle yapılan deselülerizasyon işleminde ise uygulanan fiziksel prosedürler, ECM’nin yapısal ve işlevsel bileşenlerini bozarak iskeletin bozunma hızını ve mekanik davranışlarını olumsuz yönde etkileyebilmektedir [24].
2.6.3.Sentetik Doku İskeleleri
Sentetik doku iskeleleri, kimyasal yöntemlerle oluşturulan polimer doku iskeleleridir ve yapay olarak iyileşme sağlaması amacıyla tendon gereksinimlerini karşılayacak şekilde tasarlanmıştır. Sentetik doku iskeleleri, biyolojik iskelelerden farklı olarak doku iskeleri ve suni protezlerde daha başarı olmasına rağmen biyouyumluluk oranı daha düşüktür. Tendon doku mühendisliğinde en çok çalışılan polimerler poli(glikolik asit) (PGA), poli(L-laktik asit) (PLLA) ve bunların kopolimeri olan poli (laktik-ko-glikolik asit)’tir [44]. Bu iskelelerde bozunma ürünleri doğal olarak vücutta da bulunur. Geniş çaplı hayvan modelleri ile çalışılmış olan PGA doku iskelesi, biyouyumlu, biyobozunur ve tenositler ile insan dermal hücrelerinin iyi proliferasyon gösterdiği iskele tipidir. Hücre proliferasyonunu arttırmasından dolayı tendon doku mühendisliği çalışmalarında sıkça kullanılmış ve sonuçlarına bakıldığında yenilenen tendonun gerilme dayanımı, normal tendonun %75’i kadar bulunmuştur [45]. Bu sonuç cerrahi operasyonlar sonucu elde edilen altın standarttan daha başarılıdır.
23
PLLA iskelelere bakacak olursak günümüz doku mühendisliği alanında sıkça kullanılan sentetik bir polimerdir. Tendon doku mühendisliği alanında da kullanılmaya başlanmış ve yük direncini önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. Fakat sonuçlar normal tendon dokusu ile kıyaslandığında sonuç olarak daha düşük dereceli dayanım göstermiş ve PLLA iskelelerde iskele/hücre arayüzünde fibrotik oluşumlar olduğu gözlemlenmiştir [46]. Tendon doku mühendisliğindeki diğer materyallerin başarısı ile kıyaslanacak olursa kompozit malzemeler ile desteklenmediği sürece klinik alanda zayıf kalacak bir polimer olduğu söylenebilir.
PLGA doku iskeleleri PLLA ve polikaprolakton (PCL) iskele ile karşılaştırıldığında hücre proliferasyonu destekleme oranının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir.
Biyouyumlu olması ve hızlı bir şekilde bozunmaya uğraması nedeniyle birçok doku mühendisliği çalışmalarında tercih edilmiştir. Ancak düşük tendon iyileşmesi göz önüne alındığında kullanılacak doku iskelesinin mekanik direncinin %50’sini 3 ay koruyabilmesi gereklidir. PLLA doku iskelesi ile yapılan çalışmalarda iskelenin 4 hafta içerisinde mekanik direncinin %99 olarak kaybettiği gözlemlenmiştir [24]. Bu nedenle PLLA polimeri tendon doku mühendisliğinde kompozit doku iskelesi yapılarına dahil olmadıkça kullanımı uygun olmayacaktır.