Hücre kültüründen hücresizleştirme tekniği ile elde edilen hücre dışı matriks yapısının doku mühendisliği uygulamalarında kullanımının araştırılması

Abstract

Günümüzde işlevselliğin yitirmiş ya da kaybedilen olan doku ve organların yerine konması amacıyla doku mühendisliği çalışmaları yoğun ilgi görmektedir. Doğal ya da sentetik polimerler kullanılarak dokunun doğal yapısına uygun özelliklerde üretilen yapı iskeleleri ile başarı oranının artırılması hedeflenmektedir. Bu amaçla genellikle doğal doku yapısı örnek alınmakta ve dokunun özelliklerini en iyi şekilde taklit edebilecek malzemeler ve tasarımlar seçilmektedir. Hücreler tarafından üretilen hücre dışı matriks (HDM), sağladığı mekanik destek ile dokularda doğal bir iskele görevi üstlenmektedir. Bunun yanında hücresel süreçlerin düzenlenmesinde kritik bir rolü bulunmaktadır. Bu özellikleri nedeniyle HDM, doku mühendisliği çalışmalarında hücrelerin desteklenmesi ve biyouyumluluğun artırılması amacıyla kullanılabilecek önemli bir kaynaktır. Gelişimin erken evrelerinde oluşturulan HDM içeriği, dokunun ihtiyacına göre sürekli yeniden düzenlenmektedir. Çeşitli sinyal moleküllleri ve yapısal proteinlerden oluşan HDM içeriği dokuya özgün ve dinamik bir yapıdır. Sentetik olarak taklit edilmesi neredeyse imkansızdır. Hücre kültüründen hücresizleştirme ile HDM elde edilebilmekte ve yapı iskelelerinin üretiminde kullanılabilmektedir. Fiziksel, kimyasal, biyolojik yöntemler kullanılarak gerçekleştirilen hücresizleştirme ile HDM mümkün olduğunca korunarak elde edilebilmektedir. Büyük ölçekli üretime elverişli, biyoaktif içeriğin düzenlenebildiği ve otolog üretimin de mümkün olduğu bir yöntemdir. Hücre kültüründe HDM üretiminde kullanılan hücre tipi, kültür koşulları ve hücresizleştirme yöntemleri, elde edilen matriksin yapısını ve içeriğini etkilemektedir. Bu nedenle her bir hücre tipi için hücresizleştirmede kullanılan tekniklerin detaylıca araştırılması, biyolojik özelliklerinin belirlenmesi önem arz etmektedir. Sunulan tez çalışmasında fibroblast hücre hattı kullanılarak farklı yöntemler ile elde edilen HDM'lerin protein içeriği ve sito/genotoksik etkilerinin karşılaştırılması ve HDM katkılı hidrojel yara örtüsü üretimi, karakterizasyonu ve yara iyileşmesi üzerindeki etkilerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler ile elde edilen HDM'lerde DNA ve toplam protein miktarlarının karşılaştırılması yapılarak kullanılan tekniklerin etkinliği belirlenmiştir. Ayrıca matriks yapısında bulunan kolajen miktarı ve dağılımları incelenmiştir. Uygulanan fiziksel ve kimyasal yöntemlerin biyolojik yönteme göre daha etkili olduğu belirlenmiştir. Aynı zamanda farklı kültür sürelerinin elde edilen HDM miktarları ve yapıları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Uygulanan bir, üç ve altı haftalık kültürlerde üretilen HDM'lerin protein miktarları karşılaştırıldığında üç haftalık kültürün en verimli kültür süresi olduğu belirlenmiştir. Fiziksel ve biyolojik yöntelerin dHDM yapısındaki kolajen miktarını daha iyi koruduğu tespit edilmiştir. Farklı teknikler ile elde edilen HDM'ler, gentamisin yüklü jelatin nanopartikül içeren PVA-Gel-Cs (polivinil alkol-jelatin-kitosan) hibrit hidrojel üretiminde katkı olarak kullanılmıştır. Gentamisin içeren hidrojellerin antimikrobiyal etkileri disk difüzyon testi ile gösterilmiştir. Hidrojellerin karakterizasyon, biyouyumluluk testleri ve in vitro çizik testleri yapılmıştır. dHDM katkılı hidrojellerin biyouyumlu olduğu, hücre çoğalmasını desteklediği ve yara iyileşmesini hızlandırdığı belirlenmiştir. Farklı hücresizleştirme yöntemleri, elde edilen HDM'nin yapı ve biyolojik aktivitelerini değiştirmektedir. Bu nedenle yöntem karşılaştırılmalarının yapıldığı daha detaylı araştırmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Hücre kültüründen elde edilen dHDM'lerin biyomalzemelerin etkinliğini artırmak için önemli bir katkı malzemesi olduğu düşünülmektedir.Tissue engineering research focused on restoring missing or injured tissues and organs has recently received much interest. The goal is to improve success rates by creating scaffolds that imitate the essential characteristics of tissues, which are frequently produced from natural or synthetic polymers. In this pursuit, the natural tissue structure is often used as a reference, and materials and designs that can best mimic the tissue's properties are selected. Cells produce extracellular matrix (ECM), which acts as a natural scaffold in tissues, providing mechanical support and playing an important role in regulating cellular processes. Due to these properties, ECM is a valuable resource that can be used for tissue engineering to support cells and improve biocompatibility. The ECM content generated during the early stages of development is constantly changed according to the needs of the tissue. The ECM content is a tissue-specific and dynamic structure made of numerous signaling chemicals and structural proteins, making synthetic replication almost impossible. ECM can be obtained through decellularization from cell cultures and can be used in the production of scaffolds. Decellularization, which can be carried out using physical, chemical, and biological methods, aims to preserve the ECM as much as possible. This method is suitable for large-scale production, allows for the regulation of bioactive content, and enables autologous production. The type of cells used in ECM production in cell culture, culture conditions, and decellularization methods affect the structure and content of the obtained matrix. Therefore, it is crucial to thoroughly investigate the techniques used for decellularization for each cell type and to determine their biological properties. In the presented thesis, it is aimed to compare the protein content and cyto/genotoxic effects of ECMs obtained using different methods with a fibroblast cell line and to investigate the production, characterization, and effects on wound healing of ECM-supplemented hydrogel wound dressings. The effectiveness of the techniques was determined by comparing the DNA and total protein amounts in ECMs obtained by physical, chemical, and biological methods. Additionally, the amount and distribution of collagen in the matrix structure were examined. It was determined that physical and chemical methods were more effective than the biological method. The effects of different culture durations on the amounts and structures of the obtained ECMs were also investigated. Comparing the protein amounts in ECMs produced in one, three, and six-week cultures, it was found that a three-week culture was the most efficient duration. It was also shown that the collagen content in the dHDM structure was more effectively retained by physical and biological techniques. ECMs obtained using different techniques were used as additives in the production of PVA-Gel-Cs (polyvinyl alcohol-gelatin-chitosan) hybrid hydrogel containing gentamicin-loaded gelatin nanoparticles. The antimicrobial effects of the hydrogels containing gentamicin were demonstrated by the disk diffusion method. Characterization, biocompatibility tests, and in vitro scratch tests of the hydrogels were conducted. It was determined that the hydrogels with dHDM additives were biocompatible, supported cell proliferation, and accelerated wound healing. Different decellularization methods alter the structure and biological activities of the obtained HDMs. Therefore, more detailed research is needed to compare these methods. It is considered that dHDMs obtained from cell cultures are important additive materials to enhance the effectiveness of biomaterials.