İnsanlar için hayati öneme sahip olan kemikler çok sağlamdır ancak bazen kırılabilirler. Kemikler genellikle kırıldıkları zaman kendilerini onarabilirler ancak bazen kırılan kemiklerin implant denilen cihazla desteklenmesi gerekir. İmplant, insan vücudunun eksik bir kısmını değiştirmek veya desteklemek için kullanılan insan yapımı bir cihazdır. Kemik söz konusu olduğunda implant, kemiğin doğal işlevini yeniden kazanmasına yardımcı olmayı amaçlar. Ancak vücuda yabancı bir cisim girdiği zaman, çeşitli olası komplikasyonlar oluşturabilir. Özellikle kemik onarımı implantları sıklıkla mücadele edilmesi zor bakteriyel enfeksiyonlarla ilişkilendirilir. Bu enfeksiyonların oluşmasını engellemek için, bilim insanları birçok yaklaşım ve materyal üzerinde çalışmaktadır. Peki, kemik implantları belirli böceklerde bulunan bakteri öldürücü yapılar içerse ne olurdu?
Bu yazımızda, bu soruya cevap aramak için araştırma yapan bilim insanlarının çalışmalarını öğreneceğiz.
Kemik, yaşam boyunca önemli ölçüde değişen inanılmaz bir dokudur. Sizin göremeyeceğiniz ve hissedemeyeceğiniz şekilde sürekli kendini parçalayıp yeni kemik oluşturur. Kemikler öncelikle kalsiyum ve fosfat gibi minerallerden oluşur, ancak temel rolleri; mineralleri sağlayan, organize eden ve şekillendiren çeşitli hücre türleridir. Peki, kemiğin kendini onarmasını sağlayan şey nedir? Osteoblastlar adı verilen kemik oluşturucu hücreler kemik kırıldıktan sonra kendini onarma yeteneğini kazandırır. Bu onarım sürecine kemik yenilenmesi denir. Doktorlar, kemiğin yavaş yavaş yenilenebilmesi için kırık uzuvları hareketsiz hale getirip onlara alçı koyarlar. Ancak bazı durumlarda defekt (kırığın kemikte oluşturduğu delik) tam fonksiyonun geri kazanılmasına izin vermeyecek kadar büyüktür. Bu durumda doktorlar kusuru doldurmak ve vücudun kemiği onarmasına yardımcı olmak için implantları kullanabilirler. Ancak bunun dezavantajları vardır, mesela vücuda yabancı bir maddenin girmesi gibi çeşitli komplikasyonlara yol açabilir.
Bakteriler yaşamın en bol bulunan şekline sahiptirler ve dünyanın hemen her yerinde bulunurlar. Toprakta, suda, havada, hatta vücudumuzun içinde ve üzerinde bakteriler bulunmaktadır. Bu küçük organizmalar dünyadaki yaşam için gereklidir ve genellikle bize zarar vermezler. Ancak bazı bakteri türleri dokularda büyümemeleri gereken yerlerde çoğalma eğilimindedir; buna enfeksiyon denir. Çoğu durumda vücut enfeksiyona karşı kendini savunabilir ve normale dönebilir. Ancak bazı durumlarda, eğer bakteriler agresifse veya vücut onlarla etkili bir şekilde savaşamayacak kadar zayıfsa, doktorların enfeksiyonları antibiyotik adı verilen ilaçlarla tedavi etmesi gerekir. İmplantasyon sırasında ortamda bakteri mevcutsa implant yüzeyinde hızla çoğalırlar. Bu doktorlar için gerçek bir sorundur çünkü antibiyotikler bakterileri öldürmede etkili olmasına rağmen bu ilaçlar kemik implantlarında büyüyen bakterileri kontrol etmekte zorlanır. Bu durumlarda implantın sıklıkla çıkarılması gerekir, bu da hasta için daha fazla risk ve ağrı anlamına gelir.
Son yıllarda doktorlar ve bilim insanları, ne kadar çok antibiyotik kullanılırsa, o kadar çok bakterinin antibiyotik varlığında adapte olabileceğini ve hayatta kalmanın yollarını bulabileceğini fark etmeye başladılar. Günümüzde antibiyotikler hala inanılmaz derecede faydalıdır ancak bilim insanları, bakterilere karşı kendimizi savunmanın başka yollarını bulmaya çalışıyorlar.
Bilim insanlarının bakterilere karşı savunma arayışındaki yaklaşımlardan biri, doğada zaten var olan yöntemleri taklit etmektir. Araştırmacılar, ağustos böceğinin kanatlarında böyle bir özellik gözlemlediler. Ağustos böceğinin kanatlarının tüm yüzeyinde bakterilerden birkaç kat daha küçük sütunlar vardır. Bu keskin sütunlar kanatlara yapışmaya çalışan bakterileri delip öldürebilir. Bu bakteriyel enfeksiyon tehlikesine karşı ağustos böceklerinin doğal bir çözümüdür. Bu sütun yapılarının boyutunun nanometre (nm) aralığında olduğuna dikkat etmek önemlidir, dolayısıyla bunlara nanoyapılar denir. Bir nanometre metrenin milyarda biridir. Bir cetvelin milimetre büyüklüğüne baktığınızda, o küçücük alana 1.000.000 nanometre sığdırabileceğinizi hayal etmeye çalışın.
Bu küçük yapıları taklit ederek antibiyotik özelliklere sahip materyaller geliştirilebilir miydi? Elena Ivanova bunu büyük potansiyel olarak gören araştırmacılardan biri. Bu amaçla kendisi ve grubu, çeşitli malzemelerin yüzeyinde doğada bulunanlara benzer yapay sütunlar oluşturdu. Sivri uçlara veya keskin kenarlara benzeyen ve bakterileri öldürmede oldukça etkili olan iki tür sütun benzeri yapı geliştirdiler.
Bu keşif, antibiyotik kullanmaya gerek kalmadan bakterileri öldürebilen yeni nesil kemik implantları geliştirmek için önemliydi.
Bilim insanlarının kemik onarımı için implant geliştirirken karşılaştıkları ilk zorluk biyouyumluluktur; bu da bu malzemenin konakçı için toksik olmaması veya immünolojik redde neden olmaması gerektiği anlamına gelir. İmplant yapımında kullanılan malzemeler vücuda yabancı olduğundan vücut, implantı bir tehdit olarak algılayıp reddetme girişiminde bulunabilir. Bu nedenle bilim adamlarının vücutta zararlı süreçleri tetiklemeyen ve vücutta stabil kalan materyalleri araması gerekiyor. Bunu başarmak için ağustos böceği kanatlarındaki sütun benzeri nanoyapılar titanyum yüzeylerde oluşturuldu. Titanyum tıpta sıklıkla kullanılan iyi bilinen bir metaldir çünkü mekanik özellikleri kemiğe yakındır, zamanla stabil kalır ve vücudun buna tepki vermesi pek olası değildir. Bu nedenle titanyum, çeşitli vücut dokularıyla uzun süre yakın temas halinde olan tıbbi implantlar için güvenli bir malzeme gibi görünmektedir.
İmplantlar Nasıl Test Ediliyor?
Tıbbi amaçlı cihazlar geliştirilirken bu cihazların çeşitli testlerden geçirilmesi zorunludur. Testler, cihazın vücut için toksik olup olmadığını söyleyebilir ve cihazın ne kadar etkili olabileceği konusunda bilim insanlarına bir ön fikir verebilir. Bu bilgiyi elde etmek için in vitro denilen deneyler yapılıyor. Bu, hücreleri veya mikroorganizmaları kullanarak laboratuvar deneyleri yapıldığı anlamına gelir. Bu sayede, hücrelerin davranışlarını inceleyerek bir organizmada neler olabileceğine dair bir resim elde edilebilir.
İnsanlarda her birinin kendi özel görevi olan birçok hücre türü vardır. Bu yüzden bilim insanları, kemik yenilenmesi hakkında en fazla bilgiyi verecek mezenkimal kök hücreler (MSC'ler) kullanarak cihazları test ettiler. MSC'ler, çevrelerine bağlı olarak birçok farklı hücre tipine dönüşebilmeleri bakımından son derece önemlidir. MSC'ler bir kemik defekti bölgesinde mevcut olduğunda, çevreden sinyalleri alır ve osteoblastlara (kemik oluşturan hücreler) dönüşürler. Bu nedenle, araştırmacılar titanyum implantının vücuda girdikten sonra üzerinde meydana gelecekleri taklit etmek için deneylerde MSC'leri kullandılar. MSC'ler’i implantlara eklediler ve büyümesini beklediler.
Bilim insanlarının üzerinde çalıştığı titanyumun yüzeyindeki nanoyapılar sayesinde bakterileri öldürdüğünü yukarıda anlamıştık. Peki, nanoyapılar insan hücrelerine de zararlı olabilir miydi? Deney sonucu durumun böyle olmadığını gösterdi. MSC'ler, tasarlanmış titanyum yüzeylerinde normal şekilde hayatta kaldı ve büyüdü.
Daha da şaşırtıcı olan ise nanoyapılı titanyumdaki MSC'lerin osteoblastlara dönüşmeye başlamasıydı. MSC’nin genellikle bir hücre tipinden diğerine geçişi olması için tetikleyici bir molekül gerekir. Ama araştırmacılar, deneyde bununla ilgili herhangi bir molekül kullanmadılar. Peki o zaman bu nasıl oldu? Araştırmacılar, MSC'lerin nanoyapıları sinyal olarak algılayıp osteoblastlara dönüşebileceği ihtimali olduğunu düşünüyorlar. Bu, nanoyapılı titanyum implantların bir başka harika özelliği olabilir. Nanoyapılı titanyum implantlar hem antibiyotik olmadan bakterileri öldürebiliyor hemde vücudun yeni kemik oluşturmasına yardımcı olabiliyor. Doğaya dikkatli baktığımız zaman, insan sağlığı için faydalı malzemelerin keşfedilebileceği ihtimali sizce de düşündürücü değil mi?
