חוקרים ב-TU Wien פיתחו שיטה חדשה לגידול רקמות חלופיות, כגון סחוס, במעבדה תוך שימוש בתהליך הדפסה תלת מימד ייחודי ברזולוציה גבוהה היוצר כדורים נקבוביים להתיישבות תאים. טכניקה זו מאפשרת הרכבה של כדורים אלו לכל צורה, כאשר תאים מתאחדים ליצירת רקמה אחידה וחיה, ומתגברים על אתגרים קודמים בשליטה על צורת הרקמה ואינטגרציה.
TU Wien הייתה חלוצה בשיטה חדשה ליצירת רקמה מלאכותית: תאים גדלים במיקרו-מבנים שנוצרו במדפסת תלת מימד.
האם ניתן לגדל רקמות במעבדה, למשל, להחליף סחוס פגוע? ב-TU Wien (וינה), נעשה כעת צעד חשוב לקראת יצירת רקמה חלופית במעבדה – תוך שימוש בטכניקה השונה משמעותית משיטות אחרות הנהוגות ברחבי העולם.
תהליך מיוחד של הדפסת תלת מימד ברזולוציה גבוהה משמש ליצירת כדורים זעירים ונקבוביים העשויים מפלסטיק תואם ביולוגי ומתכלה, אשר לאחר מכן מתנחלים בתאים. לאחר מכן ניתן לסדר את הכדוריות הללו בכל גיאומטריה, והתאים של היחידות השונות משתלבים בצורה חלקה ויוצרים רקמה אחידה וחיה. רקמת סחוס, שאיתה הוכח כעת הרעיון ב-TU Wien, נחשבה בעבר למאתגרת במיוחד מהבחינה הזו.
כלובים כדוריים זעירים כפיגום לתאים
"טיפוח תאי סחוס מתאי גזע אינו האתגר הגדול ביותר. הבעיה העיקרית היא שבדרך כלל יש לך שליטה מועטה על צורת הרקמה המתקבלת", אומר אוליבר קופינסקי-גרונוולד מהמכון למדע וטכנולוגיה של חומרים ב-TU Wien, אחד ממחברי המחקר הנוכחי. "זה נובע גם מהעובדה שגושי תאי גזע כאלה משנים את צורתם עם הזמן ולעתים קרובות מתכווצים".
ספרואיד מודפס בתלת מימד, מלא בתאים חיים. קרדיט: TU Wien
כדי למנוע זאת, צוות המחקר ב-TU Wien עובד בגישה חדשה: מערכות הדפסה תלת מימדיות מבוססות לייזר שפותחו במיוחד משמשות ליצירת מבנים זעירים דמויי כלוב שנראים כמו כדורי כדורגל קטנים וקוטרם שליש בלבד. של מילימטר. הם משמשים כמבנה תמיכה ויוצרים אבני בניין קומפקטיות שניתן להרכיב לאחר מכן לכל צורה.
תאי גזע מוכנסים לראשונה לכלובי המיני בצורת כדורגל אלה, שממלאים במהירות את הנפח הזעיר לחלוטין. "בדרך זו נוכל לייצר באופן מהימן אלמנטים של רקמה שבהם התאים מפוזרים באופן שווה וצפיפות התאים גבוהה מאוד. זה לא היה אפשרי עם גישות קודמות", מסביר פרופ' אלכסנדר אובסיאניקוב, ראש קבוצת המחקר של 3D Printing and Biofabrication ב-TU Wien.
גדלים ביחד בצורה מושלמת
הצוות השתמש בתאי גזע מובחנים – כלומר תאי גזע שאינם יכולים עוד להתפתח לשום סוג של רקמה, אבל כבר נקבעו מראש ליצור סוג ספציפי של רקמה, במקרה זה רקמת סחוס. תאים כאלה מעניינים במיוחד עבור יישומים רפואיים, אך בניית רקמה גדולה יותר מאתגרת כשמדובר בתאי סחוס. ברקמת הסחוס, התאים יוצרים מטריצה חוץ-תאית בולטת מאוד, מבנה דמוי רשת בין התאים שלעיתים מונע מכדוריות תאים שונות לגדול יחד בצורה הרצויה.
אם הכדורים הנקבוביים המודפסים בתלת מימד מושבתים בתאים בצורה הרצויה, ניתן לסדר את הכדורים בכל צורה רצויה. השאלה המכרעת היא כעת: האם גם התאים של כדוריות שונות מתחברים ליצירת רקמה אחידה והומוגנית?
"זה בדיוק מה שהצלחנו להראות עכשיו בפעם הראשונה", אומר קופינסקי-גרונוולד. "תחת המיקרוסקופ ניתן לראות בבירור: כדוריות שכנות גדלות יחד, התאים נודדים מכדורית אחת לשניה ולהיפך, הם מתחברים בצורה חלקה ומביאים למבנה סגור ללא כל חללים – בניגוד לשיטות אחרות שהיו בשימוש עד כה, שבו נותרו ממשקים גלויים בין גושי תאים שכנים."
הפיגומים הזעירים מודפסים בתלת מימד מעניקים למבנה הכללי יציבות מכנית בזמן שהרקמה ממשיכה להתבגר. במהלך תקופה של כמה חודשים, מבני הפלסטיק מתכלים, הם פשוט נעלמים, ומשאירים מאחוריהם את הרקמה המוגמרת בצורה הרצויה.
צעד ראשון לקראת יישום רפואי
באופן עקרוני, הגישה החדשה אינה מוגבלת לרקמת סחוס, היא יכולה לשמש גם כדי להתאים סוגים שונים של רקמות גדולות יותר כגון רקמת עצם. עם זאת, יש עדיין כמה משימות שצריך לפתור בדרך – אחרי הכל, בניגוד לרקמת סחוס, יהיה צורך לשלב כלי דם גם עבור רקמות אלו מעל גודל מסוים.
"מטרה ראשונית תהיה לייצר חתיכות קטנות ומותאמות אישית של רקמת סחוס שניתן להחדיר לחומר סחוס קיים לאחר פציעה", אומר אוליבר קופינסקי-גרונוולד. "בכל מקרה, הצלחנו כעת להראות שהשיטה שלנו לייצור רקמת סחוס באמצעות פיגומים כדוריים פועלת באופן עקרוני ויש לה יתרונות מכריעים על פני טכנולוגיות אחרות".
ניתן להרכיב את הכדוריות כמעט לכל צורה – למשל לאותיות T ו-U. קרדיט: TU Wien
האם ניתן לגדל רקמות במעבדה, למשל, להחליף סחוס פגוע? ב-TU Wien (וינה), נעשה כעת צעד חשוב לקראת יצירת רקמה חלופית במעבדה – תוך שימוש בטכניקה השונה משמעותית משיטות אחרות הנהוגות ברחבי העולם.
תהליך מיוחד של הדפסת תלת מימד ברזולוציה גבוהה משמש ליצירת כדורים זעירים ונקבוביים העשויים מפלסטיק תואם ביולוגי ומתכלה, אשר לאחר מכן מתנחלים בתאים. לאחר מכן ניתן לסדר את הכדוריות הללו בכל גיאומטריה, והתאים של היחידות השונות משתלבים בצורה חלקה ויוצרים רקמה אחידה וחיה. רקמת סחוס, שאיתה הוכח כעת הרעיון ב-TU Wien, נחשבה בעבר למאתגרת במיוחד מהבחינה הזו.
כלובים כדוריים זעירים כפיגום לתאים
"טיפוח תאי סחוס מתאי גזע אינו האתגר הגדול ביותר. הבעיה העיקרית היא שבדרך כלל יש לך שליטה מועטה על צורת הרקמה המתקבלת", אומר אוליבר קופינסקי-גרונוולד מהמכון למדע וטכנולוגיה של חומרים ב-TU Wien, אחד ממחברי המחקר הנוכחי. "זה נובע גם מהעובדה שגושי תאי גזע כאלה משנים את צורתם עם הזמן ולעתים קרובות מתכווצים".
כדי למנוע זאת, צוות המחקר ב-TU Wien עובד בגישה חדשה: מערכות הדפסה תלת מימדיות מבוססות לייזר שפותחו במיוחד משמשות ליצירת מבנים זעירים דמויי כלוב שנראים כמו כדורי כדורגל קטנים וקוטרם שליש בלבד. של מילימטר. הם משמשים כמבנה תמיכה ויוצרים אבני בניין קומפקטיות שניתן להרכיב לאחר מכן לכל צורה.
תאי גזע מוכנסים לראשונה לכלובי המיני בצורת כדורגל אלה, שממלאים במהירות את הנפח הזעיר לחלוטין. "בדרך זו נוכל לייצר באופן מהימן אלמנטים של רקמה שבהם התאים מפוזרים באופן שווה וצפיפות התאים גבוהה מאוד. זה לא היה אפשרי עם גישות קודמות", מסביר פרופ' אלכסנדר אובסיאניקוב, ראש קבוצת המחקר של 3D Printing and Biofabrication ב-TU Wien.
גדלים ביחד בצורה מושלמת
הצוות השתמש בתאי גזע מובחנים – כלומר תאי גזע שאינם יכולים עוד להתפתח לשום סוג של רקמה, אבל כבר נקבעו מראש ליצור סוג ספציפי של רקמה, במקרה זה רקמת סחוס. תאים כאלה מעניינים במיוחד עבור יישומים רפואיים, אך בניית רקמה גדולה יותר מאתגרת כשמדובר בתאי סחוס. ברקמת הסחוס, התאים יוצרים מטריצה חוץ-תאית בולטת מאוד, מבנה דמוי רשת בין התאים שלעיתים מונע מכדוריות תאים שונות לגדול יחד בצורה הרצויה.
אם הכדורים הנקבוביים המודפסים בתלת מימד מושבתים בתאים בצורה הרצויה, ניתן לסדר את הכדורים בכל צורה רצויה. השאלה המכרעת היא כעת: האם גם התאים של כדוריות שונות מתחברים ליצירת רקמה אחידה והומוגנית?
"זה בדיוק מה שהצלחנו להראות עכשיו בפעם הראשונה", אומר קופינסקי-גרונוולד. "תחת המיקרוסקופ ניתן לראות בבירור: כדוריות שכנות גדלות יחד, התאים נודדים מכדורית אחת לשניה ולהיפך, הם מתחברים בצורה חלקה ומביאים למבנה סגור ללא כל חללים – בניגוד לשיטות אחרות שהיו בשימוש עד כה, שבו נותרו ממשקים גלויים בין גושי תאים שכנים."
הפיגומים הזעירים מודפסים בתלת מימד מעניקים למבנה הכללי יציבות מכנית בזמן שהרקמה ממשיכה להתבגר. במהלך תקופה של כמה חודשים, מבני הפלסטיק מתכלים, הם פשוט נעלמים, ומשאירים מאחוריהם את הרקמה המוגמרת בצורה הרצויה.
צעד ראשון לקראת יישום רפואי
באופן עקרוני, הגישה החדשה אינה מוגבלת לרקמת סחוס, היא יכולה לשמש גם כדי להתאים סוגים שונים של רקמות גדולות יותר כגון רקמת עצם. עם זאת, יש עדיין כמה משימות שצריך לפתור בדרך – אחרי הכל, בניגוד לרקמת סחוס, יהיה צורך לשלב כלי דם גם עבור רקמות אלו מעל גודל מסוים.
"מטרה ראשונית תהיה לייצר חתיכות קטנות ומותאמות אישית של רקמת סחוס שניתן להחדיר לחומר סחוס קיים לאחר פציעה", אומר אוליבר קופינסקי-גרונוולד. "בכל מקרה, הצלחנו כעת להראות שהשיטה שלנו לייצור רקמת סחוס באמצעות פיגומים כדוריים פועלת באופן עקרוני ויש לה יתרונות מכריעים על פני טכנולוגיות אחרות".
