גידול תאים במעבדה הוא אמנות שבני האדם שלטו לפני עשרות שנים. שיקום רקמות תלת מימדיות שלמות זה הרבה יותר מאתגר. חוקרי EMPA מפתחים חומר מבוסס הידרוג'ל חדש המאפשר להנדס רקמות עור מלאכותיות, שיכולות לשמש מודלים תלת מימדיים חיים של עור אנושי להבנה טובה יותר וטיפול במחלות עור.
העור הוא האיבר הגדול ביותר בגוף האדם. זה מהווה כ -15 אחוז ממשקל גופנו ומגן עלינו מפני פתוגנים, התייבשות וקצוות טמפרטורה. לפיכך, מחלות עור הן יותר מסתם לא נעימות – הן יכולות להיות מסוכנות במהירות עבור חולים שנפגעו. למרות שמצבים כמו סרטן עור, פצעים כרוניים ומחלות עור אוטואימוניות נפוצות, לעתים קרובות אנו עדיין לא מבינים לחלוטין מדוע הם מתפתחים וכיצד אנו יכולים לטפל בהם ביעילות.
כדי למצוא תשובות לשאלות אלה, חוקרי EMPA עובדים יחד עם שותפים קליניים על מודל של עור אנושי. המודל יאפשר למדענים לדמות מחלות עור ובכך להבין אותם טוב יותר. זה לא דגם מחשב או פלסטיק. במקום זאת, חוקרים מהמעבדה של EMPA לממברנות וטקסטיל ביומימטי והמעבדה שלה למקומות ביולוגיים שואפים לייצר "עור מלאכותי" חי המכיל תאים ומחקה את המבנה השכבה והקומט של עור אנושי. הפרויקט הוא חלק מיוזמת המחקר השוויצרית Skintegrity.ch.
על מנת ליצור מחדש משהו מורכב כמו עור, יש צורך בחומרי בניין מתאימים. זה המקום בו חוקרי EMPA התקדמו לאחרונה: הם פיתחו הידרוגל העונה על הדרישות המורכבות תוך קלות לייצור. הבסיס: ג'לטין מעור של דגי מים קרים.
יותר מסתם תאים
בדומה לרוב הרקמות, העור מורכב מתאים המוטמעים במטריצה חוץ תאית כביכול: רשת של חלבונים וביומולקולות אחרות המספקות לרקמה צורה ומבנה ומקיימת את התאים. המטריצה החוץ תאית שונה מרקמה לרקמה – במקרה של העור אפילו משכבה לשכבה. חשוב להשתמש בהחלפה מתאימה למטריצה זו להנדס מודל עור מייצג.
אחת הדרכים לדמות את המטריצה החוץ תאית היא להשתמש בהידרוגלים: פולימרים מיוחדים שרשראותיהם מקושרות צולבות באופן המאפשר להם לספוג כמויות גדולות של מים ונוזלים אחרים. הם מתאימים במיוחד להדמיית מטריצה חוץ תאית בעור המכילה כמות גדולה של מים ונוזלים אחרים. יתרון נוסף: ניתן לעבד הידרוגלים רבים באמצעות מדפסת תלת מימד.
הדפסת תלת מימד חזקה לפיתוח מודל העור. ניתן להטמיע את תאי העור במטריקס ההידרוג'ל בדפוסים ספציפיים ולא באקראי. הדפסת תלת מימד מאפשרת לנו לשלב מספר חומרים וסוגי תאים למבנה יחיד – ממש כמו עור אמיתי. "
Kongchang Wei, המובילה בקבוצה של חומרים רכים מחקרי המחקר המפרקים של קבוצת המפרקים
עם זאת, בשל יכולתם לספוג מים, מרבית ההידרוגלים מתנפחים במידה ניכרת כאשר הם באים לראשונה במגע עם נוזלים לאחר הדפסת תלת מימד. הנפיחות משנה את צורתם והופכת אותם לשונים מדגם העור השכבה המעוצב. למרות שקיימים הידרוגלים שאינם מתנדנדים, הם בדרך כלל מאתגרים מאוד לייצר, או להדפיס תלת מימד. "גילינו שלטבע כבר יש פיתרון הרבה יותר פשוט ואלגנטי", אומר וויי. ג'לטין מדגי מים קרים כמו COD, פולוק והדוק יכול להיות מקושר בין צעדים ספורים בלבד כדי להפוך אותו להידרוג'ל שאינו מתנדנד, שניתן להדפיס עם תאי עור.
"עבור מודל העור שלנו, המטרה היא לכלול לא רק את שכבת הדרמיס והשכבה האפידרמיס אלא גם את צומת האפידרמיס-סרמל (המכונה גם קרום הבסיס) בין שתי שכבות העור הללו." אומר וויי. "עם הידרוגלי הג'לטין של דגי המים הקרים וטכניקת עיבוד פולימרים נוספת, אלקטרוספינג אלקטרוני, אנו מתקרבים למטרה זו."
ממחקרי עור ועד ריפוי פצעים
מה שכן: ללא תוספת של תאים חיים, ההידרוג'ל יכול לשמש גם כחומר הלבשה. בדומה להידרוגלים העשויים מג'לטין של בעלי חיים, החומר המתקבל תואם ביולוגית לתאי עור אנושיים וניתן להדפיס תלת מימד. עם זאת, יש לו מאפיין הבחנה מכריע: מכיוון שדגים מוסרים עוד יותר מבחינה אבולוציונית מבני אדם, ג'לטין דגים גורם פחות לתגובות חיסוניות ונושא סיכון נמוך יותר להעברת מחלות מאשר חומרים דומים המבוססים על ג'לטין של יונקים. "עור הדגים נחקר כרגע ככלי מבטיח לריפוי פצעים", אומר וויי. "ההידרוג'ל שלנו הומוגני יותר, בטוח יותר וניתן להתאים אותו בדיוק לצרכיו של המטופל, למשל עם צורות שונות, עובי ויציבות. אפילו שילוב התרופות ניתן להעלות על הדעת", מסביר החוקר.
מסיבות אלה, החוקרים הגישו בקשה לפטנט להידרוג'ל מבוסס הג'לטין שלהם. בשלב הבא הם מתכננים לסיים את פיתוח מודל העור החי ולהפוך אותו לרשות מדענים אחרים. "אנו מקווים שזה יקדם הבנה טובה יותר של ההתפתחות והטיפול במחלות עור", אומר וויי. חוקרי EMPA שואפים גם לבחון מקרוב את תכונות הנפיחות הלא שגרתיות של ההידרוג'ל שלהם.
