שיטת הדפסה ביולוגית תלת מימדית חדשה באמצעות רקמת שומן מאפשרת הדפסה של עור חי וזקיקי שיער בשכבות, ומבטיחה תוצאות משופרות עבור ניתוחים משחזרים וטיפולי צמיחת שיער. הטכנולוגיה המוגנת בפטנט זו, המציגה בדיקות מוצלחות בחולדות, עשויה לחולל מהפכה בגישות לריפוי פציעות עור ושיפור הליכים קוסמטיים.
התקדמות בביו-הנדסה עשויה להוביל לתוצאות טבעיות יותר בניתוחים משחזרים, מציע צוות בינלאומי של חוקרים.
חוקרים גילו שרקמת שומן יכולה למלא תפקיד מרכזי בהדפסת תלת-ממד של עור חי רב-שכבתי, ואולי אפילו זקיקי שיער. תוך ניצול תאי שומן ומבנים תומכים המתקבלים מרקמות אנושיות באמצעות תהליכים קליניים, הצוות הצליח להשיג תיקון פציעות מדויק בחולדות. לפריצת דרך זו יש פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על ניתוחי פנים משחזרים ועל טיפולי צמיחת שיער לבני אדם.
ממצאי הצוות פורסמו ב חומרים ביו-אקטיביים. משרד הפטנטים והסימנים המסחריים האמריקאי העניק לצוות פטנט בפברואר על טכנולוגיית ההדפסה הביולוגית שפיתחה והשתמשה במחקר זה.
התקדמות בכירורגיה משחזרת
"ניתוח שחזור לתיקון טראומה לפנים או בראש מפציעה או מחלה הוא בדרך כלל לא מושלם, וכתוצאה מכך צלקות או נשירת שיער לצמיתות", אמר איברהים ט' אוזבולאט, פרופסור למדע הנדסי ומכניקה, להנדסה ביו-רפואית ולנוירוכירורגיה בפן סטייט , שהוביל את שיתוף הפעולה הבינלאומי שניהל את העבודה. "בעבודה זו אנו מדגימים עור מודפס ביולוגי, בעובי מלא עם פוטנציאל להצמיח שיער בחולדות. זה צעד קרוב יותר ליכולת להשיג שחזור ראש ופנים במראה טבעי ואסתטי יותר בבני אדם".
בעוד שמדענים הדפיסו בעבר ביו-3D שכבות דקות של עור, אוזבולאט וצוותו הם הראשונים להדפיס תוך ניתוח מערכת חיה מלאה של שכבות עור מרובות, כולל השכבה התחתונה ביותר או ההיפודרמיס. תוך ניתוח מתייחס ליכולת להדפיס את הרקמה במהלך הניתוח, כלומר הגישה עשויה לשמש לתיקון עור פגום באופן מיידי וחלק יותר, אמרו החוקרים. השכבה העליונה – האפידרמיס המשמשת כעור גלוי – נוצרת בתמיכה מהשכבה האמצעית בעצמה, כך שהיא אינה מצריכה הדפסה. ההיפודרמיס, עשוי רקמת חיבור ושומן, מספק מבנה ותמיכה על הגולגולת.
Miji Yeo, חוקר פוסט-דוקטורט בפן סטייט, בודק את מחסניות הביו-דיו במדפסת תלת מימד שפותחה להדפסה תוך ניתוחית של שכבות עור. קרדיט: מישל ביקסבי/פן סטייט
"ההיפודרמיס מעורב ישירות בתהליך שבו תאי גזע הופכים לשומן", אמר אוזבולאט. "תהליך זה קריטי לכמה תהליכים חיוניים, כולל ריפוי פצעים. יש לו גם תפקיד במחזוריות של זקיקי שיער, במיוחד בהקלת צמיחת שיער."
פריצת דרך ב-Skin Bioprinting
החוקרים התחילו עם רקמת שומן אנושית, או שומן, שהתקבלה מחולים שעברו ניתוח במרכז הרפואי Penn State Health Milton S. Hershey. משתף הפעולה דינו ג'יי רבניק, פרופסור חבר לכירורגיה בחטיבה לכירורגיה פלסטית במכללת פן סטייט לרפואה, הוביל את המעבדה שלו בהשגת השומן למיצוי המטריצה החוץ-תאית – רשת המולקולות והחלבונים המספקת מבנה ויציבות ל- רקמה – ליצור מרכיב אחד של הביו-דיו.
הצוות של Ravnic השיג גם תאי גזע, שיש להם פוטנציאל להבשיל לכמה סוגי תאים שונים אם הם מספקים את הסביבה הנכונה, מרקמת השומן כדי ליצור מרכיב ביו-דיו נוסף. כל רכיב הוטען לאחד משלושה תאים בביו-מדפסת. התא השלישי היה מלא בתמיסת קרישה המסייעת לשאר הרכיבים להיקשר כראוי למקום הפגוע.
"שלושת התאים מאפשרים לנו להדפיס יחד את תערובת המטריצה-פיברינוגן יחד עם תאי הגזע עם שליטה מדויקת", אמר אוזבולאט. "הדפסנו ישירות לתוך מקום הפציעה במטרה ליצור את ההיפודרמיס, שעוזר בריפוי פצעים, יצירת זקיקי שיער, ויסות טמפרטורה ועוד."
הם השיגו הן את שכבות ההיפודרמיס והן את שכבות הדרמיס, כאשר האפידרמיס נוצר בתוך שבועיים מעצמו.
ממצאים קריטיים ויישומים עתידיים
"ערכנו שלוש קבוצות של מחקרים בחולדות כדי להבין טוב יותר את תפקידה של המטריצה השומנית, ומצאנו שהאספקה המשותפת של המטריצה ותאי הגזע הייתה חיונית להיווצרות היפודרמיס", אמר אוזבולאט. "זה לא עובד ביעילות רק עם התאים או רק עם המטריצה - זה חייב להיות באותו הזמן."
הם גם מצאו שההיפודרמיס מכיל גידולים מטה, השלב הראשוני של היווצרות זקיק שיער מוקדם. לדברי החוקרים, בעוד שתאי שומן אינם תורמים ישירות למבנה התאי של זקיקי השיער, הם מעורבים בוויסותם ובתחזוקתם.
"בניסויים שלנו, ייתכן שתאי השומן שינו את המטריצה החוץ-תאית כדי לתמוך יותר בהיווצרות צמיחה מטה", אמר אוזבולאט. "אנחנו פועלים כדי לקדם את זה, להבשיל את זקיקי השיער עם צפיפות, כיווניות וצמיחה מבוקרת."
לדברי אוזבולאט, היכולת לגדל שיער במדויק באתרים פצועים או חולים של טראומה יכולה להגביל את האופן שבו ניתוח שחזור טבעי עשוי להופיע. הוא אמר שהעבודה הזו מציעה "דרך מלאת תקווה קדימה", במיוחד בשילוב עם פרויקטים אחרים מהמעבדה שלו, הכוללים הדפסת עצם וחקירה כיצד להתאים פיגמנטציה על פני מגוון גווני עור.
"אנחנו מאמינים שאפשר ליישם את זה בדרמטולוגיה, השתלות שיער וניתוחים פלסטיים ומשחזרים – זה יכול להביא לתוצאה הרבה יותר אסתטית", אמר אוזבולאט.
"עם יכולת ההדפסה הביולוגית האוטומטית המלאה וחומרים תואמים בדרגה הקלינית, לטכנולוגיה זו עשויה להיות השפעה משמעותית על התרגום הקליני של עור משוחזר במדויק."
רבניק ואוזבולת קשורים גם למכוני האק למדעי החיים ולמכון פן סטייט לסרטן. לאוזבולאט יש קשרים נוספים עם מכון המחקר החומרים של פן סטייט והמחלקה לאונקולוגיה רפואית באוניברסיטת Cukurova בטורקיה, שם הוא נמצא כעת בחופשת שבתון. תורמים אחרים כוללים יוגנדרה פראטאפ סינג, פוסט-דוקטורט, ומציט אלטן אליוגלו, סטודנט לתואר שני, שניהם במחלקה למדעי ההנדסה והמכניקה של פן סטייט; יאנגנם קאנג ומיג'י יאו, שניהם חוקרים, ואירם דניז דרמן, סטודנט לתואר שני, במכוני האק למדעי החיים; יאנג וו, המכון הטכנולוגי של חרבין בסין; וג'ייסון מקאר וריאן ר. דריסקל, המכללה לרפואה וטרינרית באוניברסיטת וושינגטון סטייט. קאנג, Yeo, Singh, Alioglu ו-Derman קשורים גם הם למחלקת המדע והמכניקה של פן סטייט.
ה המכונים הלאומיים לבריאות ומועצת המחקר המדעי והטכנולוגי של טורקיה תמכה בעבודה זו.
