RMIT: Kas yapmak, beyin geliştirmek ve biyofabrikasyon araştırmalarının akıllara durgunluk veren dünyası

Epilepsiyi tahmin etmeye yönelik biyosentetik beyinlerden kas ve kemiklerin yeniden büyümesine yönelik küçük 3D baskılı implantlara kadar bu, tıbbi olarak mümkün olanın en uç noktasındaki araştırmalardır.

Ancak hayal kurmak ile gerçekleştirmek arasındaki farkı yaratan şey, bu fikirlerin arkasındaki ekiptir (en iyi cerrahlar ve klinisyenlerle birlikte çalışan mühendisler, robotik uzmanları ve biyologlar).

Profesör Rob Kapsa, Aikenhead Tıbbi Keşif Merkezi'nde baş RMIT araştırmacısıdır ve burada ACMD'nin amaca yönelik olarak oluşturulmuş biyofabrikasyon laboratuvarını kullanan bir araştırma grubuna başkanlık etmektedir.

St Vincent's Hospital Melbourne'de bulunan ACMD, en büyük biyomedikal zorluklarımızdan bazılarına çözüm bulmak için araştırmacıları ve klinisyenleri bir araya getiriyor.

Merkez'in hayati rolünün bilincinde olarak Victoria Hükümeti, sürekli büyümesini desteklemek amacıyla 206 milyon dolarlık amaca yönelik olarak inşa edilmiş bir tesise yeşil ışık yaktı.

Öncelikle biyofabrikasyon nedir ve tıbbi tedaviyi nasıl dönüştürebilir?

Bu, temel olarak vücudumuza tamamen entegre olan, iyileşen, onarılan ve işlevi geri yükleyen şeyler yapmakla ilgilidir.

Geleneksel implantların aksine, biyofabrik yapılar ve cihazlar aslında canlı insan dokusunun olağanüstü karmaşıklığını taklit etmeye yaklaşabilir.

Biyofabrikasyon, malzeme mühendisliği, biyolojik bilimler, katmanlı üretim, nanoteknoloji ve biyomedikal sağlık teknolojilerini birleştirir.

Kemiklerden kaslardan beyne, eklemlere ve bağ dokularına kadar her şeyi onaracak, değiştirecek ve yenileyecek yapılar oluşturmak için büyük fırsatlar yaratır.

Örneğin, araştırmacılar yaşlı insanlarda bozulan kemikleri onarmak, diyabet hastaları için özelleştirilmiş, kendi kendini düzenleyen yapay pankreas geliştirmek ve travma hastaları için yedek kas oluşturmak için yeni biyofabrikasyon teknolojileri üzerinde çalışıyor.

Bize yarattığınız biyosentetik "beyinlerden" bahsedin.

Beynin nasıl çalıştığını ve yanlış gittiğinde onu nasıl düzeltebileceğinizi anlamaya çalışırken, iki boyutlu slaytlardaki hücrelere bakmak sizi yalnızca bir yere kadar götürür. Profesör Kapsa, 3 boyutlu biyobaskıyı kullanarak üç boyutlu inşa ettiğimizi söylüyor.

Yaptığımız 'beyinler' küçücük, yaklaşık 3 mm'ye 3 mm, ancak orada üzerinde çalışılacak ve analiz edilecek kadar işleyen beyin var (ayrıca insan beyni korteksi yalnızca 3 mm kalınlığında).<

Küçük beyin bloklarımız, nöron oluşturabilen kök hücrelere yeniden programladığımız deri hücrelerinden yapılır. 'Beyin' bloğu 3 boyutlu bir kolajen matris içinde asılı kalır ve bir dizi elektrot üzerine yerleştirilir.

Elektriksel uyarı kullanarak veya nörokimyasallar ekleyerek nöronların ateşlenmesini sağlayabiliriz. Elektrot dizisi, sinir sisteminin ateşlenmesini taklit eden bu aktiviteyi kaydederek bize neler olduğuna dair derinlemesine bir resim sunar.

Aslında bunlar, nörolojik durumları anlamaya ve tedavi etmeye çalışan bilim insanları için ideal olan kişiselleştirilmiş sentetik beyin yapılarıdır.

Bu "beyinler" epilepsi araştırmalarında bize nasıl yardımcı oluyor?

Epilepsi 100 kişiden 1'ini etkiliyor, ancak bunların yaklaşık yarısının, daha gençken beyinde bir miktar hasar yaşadıktan sonra, bu durumu daha sonraki yaşamlarında geliştirdiğini biliyoruz.

Bunun bazı kişilerin genetik yatkınlığı olmasından kaynaklanabileceğini düşünüyoruz, ancak şu anda kimlerin kafa travması nedeniyle epilepsiye yakalanma riski altında olabileceğini tahmin edemiyoruz.

Bu araştırmada, epilepsiye neden olan bir genetik mutasyonu keşfeden Murdoch Çocuk Araştırma Enstitüsü'ndeki nörologların yanı sıra Melbourne St Vincent Hastanesi'ndeki nörologlarla işbirliği yapıyoruz.<

Bu genetik mutasyona sahip insanlardan deri hücreleri alıyoruz, mutasyonu kaldırıyoruz ve genetiği değiştirilmiş bu hücrelerden biyosentetik 'beyin' yetiştiriyoruz. Karşılaştırma yapmak gerekirse, "epilepsi pozitif", düzenlenmemiş hücrelerinden de beyin yapıyoruz.

Daha sonra bu hücrelerden oluşturduğumuz 'beyinleri' belirli bir düzeyde hasara neden olarak ve epileptik benzeri aktivite gösterip göstermediklerini ve ne zaman sergilediklerini görerek test ederiz.

Nihayetinde hedeflediğimiz şey, AFL futbolu veya diğer sporları oynamak gibi küçük kafa travması nedeniyle epilepsiye yakalanma olasılığınızın olup olmadığını belirleyebilecek basit bir genetik testtir.

Bu "beyinler" gelecekte başka nasıl kullanılabilir?

Biyosentetik 'beyinlerimiz' aynı zamanda nörolojik bozuklukların kişiselleştirilmiş modellenmesinde de kullanılacak.

Bu, hastanın kendi hücrelerinden yetiştirilen bir 'beynin', bir klinisyenin hastanın durumunu daha iyi anlamasına, tedaviyi optimize etmesine ve sonuçta prognozunu bile sağlamasına olanak tanıyabileceği yerdir.<

Bu çalışma, RMIT için biyo-mekatronik hibrid cihaz ve sistemlerin tasarımı, geliştirilmesi, üretimi ve çevirisi için heyecan verici yeni yollar açıyor. 

Kas distrofisine yönelik tedaviler geliştirmeye yönelik araştırmanın bir parçası olarak ekibiniz, kas mühendisliği ile gen düzenlemeyi birleştiren bir "truva atı" tekniğine öncülük etti. Nasıl çalışır?

Temel fikir, kas distrofisine neden olan mutasyona sahip insanlardan hücreleri almak, mutasyonu düzenlemek ve daha sonra bu hücreleri tekrar çalışması için kaslara yerleştirmektir.

Klinik durumlar olmuştur rejeneratif hücre tedavileri denemeleri, özellikle de miyoblast transplantasyonu tedavisi, ancak ne yazık ki bunlar implante edilen hücreler gelişip çoğalmadığı için başarısız oldu.

Yaklaşımımızın farkı, hücreleri doğrudan implante etmek yerine, onları deniz yosunundan yapılmış özel bir jöle içinde koruyor olmamızdır. Bu 'truva atı'dır; içinde kas hücreleri bulunan, vücut tarafından kolayca kabul edilen ve daha sonra sağlıklı hücrelerin hasta kasları 'istila etmesine' izin veren bir parça deniz yosunu jölesi.

Tekniğimiz, canlı kas hücrelerinin inanılmaz bir şekilde yayılmasıyla sonuçlanır; farelerde yapılan klinik öncesi çalışmalar, başlangıçta implante ettiğimiz 10.000 hücreden milyonlarca çekirdeğin ortaya çıktığını gösterir.

3D baskı ve biyobaskı, ekibinizin çalışmalarında nasıl bir rol oynuyor?

ACMD'de, 3D baskı canlı hücreler için tasarlanmış uzman biyo-yazıcılar ve 3D hücre kültürleri için biyo-reaktörler de dahil olmak üzere, en son teknolojiye sahip biyofabrikasyon ve ileri üretim teknolojilerine erişebildiğimiz için şanslıyız. Bu teknolojilerle çalışmak işbirliklerimizde büyük bir fark yaratıyor.

Örneğin, damar ağlarının tasarlanmış dokularda büyümesini teşvik etmek için çalışmalarımızda 'eriyik elektroyazım' adı verilen bir 3 boyutlu baskı sürecini kullanıyoruz. Bu sistem aynı zamanda doku modelleme yapılarımızda da kullanılabilir, böylece damarlı dokuya daha çok benzerler.

Ancak bazen işimiz en son teknolojiyle ilgili değil, eskiye yeni yaklaşımlar bulmakla ilgilidir.

Ekibimiz içindeki araştırmacılar, yeniden büyüyen kemikler ve dokularla ilgili çalışmalarında inanılmaz derecede karmaşık biyomedikal yapılar oluşturmak için geleneksel 3D baskıyı tersine çevirdi. Kullanıma hazır yaklaşımları, hücre yeniden büyümesini destekleyebilecek küçük implantlar oluşturmak için standart 3D yazıcıları kullanıyor.

Ayrıca yakın zamanda, işlevsel iskelet kası dokusu oluşturmak için ihtiyaç duyduğunuz malzemeleri, ekipmanı ve teknikleri ayrıntılarıyla anlatan, kas yapımına yönelik bir tarif yayınladık.

Bu, uygulanabilir 3D baskılı iskelet kası yapıları üretmek için biyomürekkep ve biyobaskı yöntemlerimizi geliştirmek için uzun yıllar boyunca yaptığımız çalışmaların bir özetidir. Bu çalışmanın sonunda kas hastalığı ve travması geçirmiş insanlar için kas mühendisliği yapılmasına olanak sağlayacağını umuyoruz.

St Vincent's Hospital Melbourne'daki klinisyenler ve cerrahlarla uzun süredir devam eden işbirlikleriniz var. ACMD'nin kurulması ekibinizin araştırmasını nasıl hızlandırdı?

On yıllar boyunca ekibimiz kas ve sinir mühendisliğine yönelik yaklaşımımızı geliştirirken, mevcut teknolojilerin yeterince hizmet veremediği eski dünya sağlık sorunlarına gerçek dünya çözümleri geliştirmek için her zaman klinisyenler ve cerrahlarla yakın işbirliği içinde çalıştık.

İşimiz sadece ilginç fikirler veya teorik olasılıklarla ilgili değil; klinisyenlerin ve belki de daha önemlisi hastaların her gün uğraştığı sorunları çözmekle ilgili.

Bir gün araştırmamızı kullanacak kişilerle doğrudan çalışıyoruz. klinik uygulamalarında ve cerrahi tiyatrolarda. Karşılaştıkları zorlukları ve hastalarına yardım etmek için neye ihtiyaç duyduklarını paylaşıyorlar.

Ve sonuçta araştırmamızın yapmasını istediğimiz şey de bu; dışarı çıkıp insanlara yardım etmek.

Biyosentetik beyinler, tasarlanmış kaslar, truva atları… bu fikirlerin bazıları neredeyse bilim kurgu gibi geliyor. Peki bunlar ne zaman klinik gerçekliğe dönüşebilir?

Yaptığımız işin bilimin sınırlarını aştığı doğru. Ancak Avustralya'nın ilk yerel üretim 3D baskılı omurga implantı gibi gelişmiş üretim teknolojileri zaten hastaların hayatında fark yaratıyor.

RMIT'in bu girişim üzerindeki çalışması, ACMD'nin bir proje odağı olan, kemik kanseri hastalarına yönelik yeni nesil implantların tasarımında yeni yönlere yol açtı.

Klinik açıdan daha gelişmiş projelerimizden bazıları, klinik çeviriye 5-10 yıl uzakta olabilir, ancak hâlâ 3D biyobaskı devriminin ilk günlerindeyiz.<

Harika olan şey, işbirlikçi klinik-bilimsel yaklaşımımızın, gerçek hayatta asla işe yaramayacak pratik olmayan fikirleri atlayabileceğimiz ve en fazla etki potansiyeline sahip araştırmalara odaklanabileceğimiz anlamına gelmesidir.

Profesör Rob Kapsa, RMIT'de Biyofabrikasyon ve Doku Mühendisliği (BiTE) araştırma grubuna başkanlık ediyor.

Daha geniş biyo-mühendislik alanında çalışan akademisyenleri ve doktora adaylarını yeni BiTE odaklı alanlara yönelik bir araya getirmeyi amaçlayan BiTE Ağı, RMIT'in Gelişmiş Malzemeler, Üretim ve Üretim için Yetenekleri Etkinleştirme Platformları tarafından desteklenmektedir. Fabrikasyon ve Biyomedikal Sağlık ve İnovasyon.

ACMD, St Vincent's Hospital Melbourne, RMIT Üniversitesi, Melbourne Üniversitesi, Avustralya Katolik Üniversitesi, Swinburne Teknoloji Üniversitesi, Wollongong Avustralya Üniversitesi, Bionics gibi ortaklarla birlikte Avustralya'nın ilk hastane tabanlı biyomedikal mühendislik araştırma merkezidir. Enstitüsü, St Vincent Enstitüsü ve Avustralya Göz Araştırmaları Merkezi.

 RMIT Haber Hikayesinden Alıntı:  Gosia Kaszubska

RMIT'yi inceleyin Biyomedikal Lisansı Bu çığır açan araştırmayı daha yakından anlamak için Sağlık ve Biyomedikal Bilimler Yüksekokulu'nda fen bilimleri diplomasına sahip olmanız gerekir.