In vıtro hipertansiyon modellenmesinde kullanılacak atardamar biyoreaktörü tasarlanması ve üretimi
Design and production of an artery bioreactor for in vitro hypertension model
Yazar: M. MERT ÇELTİKOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. AYLİN ŞENDEMİR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Damar yapısının kan ile etkileşen yüzünü kaplayan endotel hücreler, kan akışı sebebiyle sürekli olarak mekanik etkilere maruz kalırlar. Hücreler bu kuvvetlere maruz kaldığında, hücre yüzeyindeki mekanoreseptörler uyarılır ve bir dizi sinyal yolağı aktive edilir. Bu yolakların aktivasyonu pek çok farklı gen ve proteinin ekspresyonunun, hücre dizilim ve şekillerinin, komşu hücreler arası ilişkilerin değişmesine yol açar. Bu mekanik uyaranlar arasında hücreler üzerinde en çok yanıt oluşturan kuvvetler kayma gerilimi ve dairesel germe olarak belirlenmiştir. Bu etkiler kan akışını kontrol etmek ve damar yapısını korumak için, hücrelerin tepki oluşturmasına neden olur. Mekanotransdüksiyon adı verilen bu sürecin detaylı olarak incelenebilmesi, gerçekçi bir in vitro damar modelinin geliştirilmesi ve hipertansiyon gibi hastalıklarda, değişen mekanik uyaranlarla birlikte vücuttakine benzer yanıtların model üzerinde oluşturulabilmesi için oldukça önemlidir. 
Mekanotransdüksiyonun olumlu veya olumsuz etkilerinin incelenebilmesi için, kullanım kolaylığı ön planda tutulan, kontrollü in vitro koşulları sağlarken modelin takibi ve gözlenmesine olanak veren bir biyoreaktöre ihtiyaç duyulmuştur. Bu tez çalışmasıyla, damar doku mühendisliği uygulamalarında, kan akışının pulsatif etkisini taklit eden bir pompa sistemi yardımıyla, doku iskelesini ve hücreleri mekanik sinyallerle uyarmaya olanak sağlayacak bir biyoreaktör geliştirilmesi amaçlanmıştır. Daha önce yapılmış çalışmalarda kayma geriliminin endotel hücreler üzerindeki etkisi incelenmiş olsa da dairesel germe ile ilgili yapılmış çalışma sayısı oldukça azdır. Hipertansiyon modellerinde ise hücre yanıtları, basınçlı inkübatör içerisinde farklı basınçlarda kültive edilerek incelenmiştir. Sisteme etki edeceği düşünülen mekanik değişkenlerin incelenmesi ve biyoreaktörün tasarımı için Bilgisayar Destekli Tasarım (Computer Aided Design - CAD) teknikleri kullanılmıştır. Özgünlük ve üretilebilirlik gözetilerek, kullanım kolaylığını amaçlayan tasarım, SolidWorks programı ile son haline getirilmiştir. Parçaların üretimi için kullanılacak malzemeler; steril edilebilirlik, biyouyumluluk ve dayanıklılık kriterleri üzerinden seçilmiştir. Son tasarım üzerinden ANSYS programı ile farklı akış etkileri simüle edilmiş, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (Compututional Fluid Dynamics - CFD) sayesinde hücrelerin maruz kalacağı düşünülen mekanik etkiler gösterilmiştir.
Tez dahilinde tasarlanıp üretilen biyoreaktör ile, in vitro atardamar modelindeki endotel hücrelerinin, doğala özdeş fiziksel bir makro çevrede bulunmasını sağlamak için doku iskelesi olarak hücre tutunma verimi bilinen, esnek ve yüksek mekanik dayanıma sahip tübüler bakteriyel selüloz içerisine ekimi gerçekleştirilmiş; sistemin damar içi akış sırasında ve hipertansiyon koşulları altında maruz kaldığı mekanik uyaranlara olan tepkisi, farklı akış rejimleri ve basınç etkileri ile incelenmiştir. Tez kapsamında geliştirilen Hipertansiyonda Akış Sistemi ile yüksek basınç ve buna bağlı artan dairesel germe etkilerinin, diğer sistemlerle aynı kayma gerilimine maruz bırakılmış olmasına rağmen endotel hücreleri üzerinde hasar yarattığı gösterilmiştir. Bu hasar sonucunda, akut hipertansiyon etkilerinin, damar geçirgenliğinde önemli artışa yol açtığı mekanobiyolojik açıdan ispatlanmıştır.
Bu tez çalışması sırasında geliştirilen biyoreaktör ve in vitro damar modeli sayesinde, damar geçirgenlik çalışmaları için stabil bir sistem; kontrol edilebilir ve değiştirilebilir çevre koşulları sayesinde ise hipertansiyon gibi hastalık çalışmalarında kullanılabilecek bir ara basamak oluşturulmuştur. Böylece bu çalışmalarda kullanılacak tekniklerin ve ilaç adaylarının, in vivo denemeler öncesi incelenebilmesini mümkün kılmaya ve hipotezlerin ispatı için kullanılacak deney hayvanlarının sayısını azaltmaya yönelik bir adım atılmıştır.

Abstract:
Endothelial cells that cover the blood interface of the vascular structure, constantly exposed to mechanical effects due to blood flow. Exposing the cells to these mechanical effects activates a number of signaling pathways with stimulation of mechanoreceptors on the cell surface. These pathways cause alterations in the expressions of various genes and proteins, cell shapes and arrangement, and intercellular relationships. Among these mechanical stimulants, the most effective forces on the cells have been identified as shear stress and circumferential stress. The cells react to these stimuli, to control blood flow and to protect of the vascular structure. It is crucial to investigate this mechanism called mechanotransduction in detail, develop a realistic in vitro vascular model, and acquire responses similar to those in the body with altering mechanical stimuli in hypertension.
In order to examine the positive or negative effects of the mechanotransduction, there was a need for a bioreactor that allows easy-to-use, controlled in vitro conditions and allows the follow-up and observation of the model. This thesis aims to develop a bioreactor that can stimulate the tissue scaffold and cells with mechanical signals in vascular tissue engineering applications by imitating the pulsative effect of blood flow via a pumping system. Although the effect of shear stress on endothelial cells has been examined in previous studies, the number of studies on circumferential stress is a deficit. Also, in hypertension models, cells were mostly incubated in at pressurized incubator and cell responses at different pressures were studied. Computer-Aided Design (CAD) techniques were used to investigate the mechanical stimuli that possibly affect the cell behavior and to design the bioreactor. Considering originality and manufacturability, the design that aims ease of use has been finalized with the SolidWorks software. The materials to be used for the parts were; chosen based on the criteria of sterilizability, biocompatibility, and durability. Different flow regimes have been simulated with the ANSYS program over the last design, and the mechanical effects that the cells will be exposed to were shown by Computational Fluid Dynamics (CFD).
With the bioreactor developed within this thesis, in order to ensure that the endothelial cells in the in vitro artery model inhabit a physical environment similar to the body, they were seeded into tubular bacterial cellulose scaffold, which is known to show cell attachment efficiency, flexibility, and has high mechanical strength. With different flow regimes and pressure effects, the response of the system to mechanical stimuli exposed during intravascular flow and under hypertension conditions was studied. With the Flow System in Hypertension developed within the scope of the thesis, it has been shown that high pressure and the resulting increased circumferential stress effects cause damage to the endothelial cells even though they are exposed to the same shear stress as other systems. As a result of this damage, it has been proven mechanobiological that the effects of acute hypertension cause a significant increase in vascular permeability.
The in vitro vascular model developed during this thesis is a stable system for vascular permeability studies, and can be used as an intermediate step for disease studies, such as hypertension, with the help of the controllable and modifiable environmental conditions provided by the bioreactor. Thus, a step was taken to enable the drug candidates and techniques to be used in these studies to be screened before in vivo trials and to reduce the number of experimental animals to be used to prove hypotheses.