גידול איברים אנושיים פונקציונליים מחוץ לגוף הוא "גביע קדוש" מבוקש של רפואת השתלות איברים שנותר חמקמק. מחקר חדש ממכון Wyss של הרווארד להנדסה בהשראה ביולוגית ובית הספר להנדסה ומדע יישומי ג'ון א. פולסון (SEAS) מקרב את המסע הזה צעד אחד גדול יותר להשלמה.
צוות מדענים יצר שיטה חדשה להדפסת רשתות כלי דם בתלת מימד המורכבות מכלי דם מחוברים בעלי "קליפה" ברורה של תאי שריר חלק ותאי אנדותל המקיפים "ליבה" חלולה שדרכה נוזל יכול לזרום, המוטבע בתוך רקמת לב אנושית. . ארכיטקטורת כלי דם זו מחקה באופן הדוק את זו של כלי דם טבעיים ומייצגת התקדמות משמעותית לקראת היכולת לייצר איברים אנושיים הניתנים להשתלה. ההישג מתפרסם ב חומרים מתקדמים.
"בעבודה קודמת, פיתחנו שיטת הדפסה ביולוגית תלת מימדית חדשה, המכונה "כתיבה קורבנות ברקמה פונקציונלית" (SWIFT), לעיצוב תעלות חלול בתוך מטריצה תאית חיה. כאן, בהתבסס על שיטה זו, אנו מציגים SWIFT קואקסיאלי (קו- SWIFT) המשחזרת את הארכיטקטורה הרב-שכבתית שנמצאת בכלי דם מקומיים, מה שמקל על יצירת אנדותל מחובר ועמיד יותר בלחץ הפנימי של זרימת הדם", אמר המחבר הראשון פול סטנקי, סטודנט לתואר שני ב-SEAS במעבדה של co. -סופרת בכירה וחברת סגל ליבה של Wyss Jennifer Lewis, Sc.D.
החידוש המרכזי שפיתח הצוות היה פיית קליפת ליבה ייחודית עם שתי תעלות נוזל הניתנות לשליטה עצמאית עבור ה"דיו" המרכיבים את הכלים המודפסים: דיו של מעטפת על בסיס קולגן ודיו ליבה על בסיס ג'לטין. תא הליבה הפנימי של הזרבובית משתרע מעט מעבר לתא המעטפת כך שהזרבובית יכולה לנקב באופן מלא כלי מודפס בעבר כדי ליצור רשתות הסתעפות מחוברות זו לזו לחמצן מספק של רקמות ואיברים אנושיים באמצעות זִלוּף. ניתן לשנות את גודל הכלים במהלך ההדפסה על ידי שינוי מהירות ההדפסה או קצב זרימת הדיו.
כדי לאשר ששיטת ה-Co-SWIFT החדשה עבדה, הצוות הדפיס לראשונה את הכלים הרב-שכבתיים שלהם לתוך מטריצת הידרוג'ל גרגירית שקופה. לאחר מכן, הם הדפיסו כלי לתוך מטריצה שנוצרה לאחרונה בשם uPOROS המורכבת מחומר נקבובי המבוסס על קולגן המשכפל את המבנה הסיבי והצפוף של רקמת שריר חיה. הם הצליחו להדפיס בהצלחה רשתות כלי דם מסועפות בשתי המטריצות נטולות התאים הללו. לאחר הדפסת הכלים הביומימטיים הללו, המטריצה חוממה, מה שגרם לקולגן במטריצה ובדיו למעטפת להצליב, ודיו ליבת הג'לטין הקורבן להימס, מה שאיפשר את הסרה קלה והביא למערכת כלי דם פתוחה וניתנת לזריחה.
כשעברו לחומרים רלוונטיים עוד יותר מבחינה ביולוגית, הצוות חזר על תהליך ההדפסה באמצעות דיו קליפה שהושרה בתאי שריר חלקים (SMCs), המהווים את השכבה החיצונית של כלי הדם האנושיים. לאחר המסת דיו הליבה של הג'לטין, הם זרחו תאי אנדותל (ECs), היוצרים את השכבה הפנימית של כלי הדם האנושיים, לתוך כלי הדם שלהם. לאחר שבעה ימים של זלוף, גם ה-SMCs וגם ה-ECs היו חיים ותפקדו כדפנות כלי דם – חלה ירידה של פי שלושה בחדירות הכלים בהשוואה לאלו ללא ECs.
לבסוף, הם היו מוכנים לבדוק את השיטה שלהם בתוך רקמה אנושית חיה. הם בנו מאות אלפי אבני בניין איברי לב (OBBs) – כדורים זעירים של תאי לב אנושיים פועמים, הנדחסים למטריצה תאית צפופה. לאחר מכן, באמצעות שיתוף SWIFT, הם הדפיסו רשת כלי ביומימטיים לתוך רקמת הלב. לבסוף, הם הסירו את דיו הליבה הקורבן וזרעו את המשטח הפנימי של הכלים העמוסים ב-SMC שלהם עם ECs באמצעות זלוף והעריכו את הביצועים שלהם.
לא רק שהכלים הביומימטיים המודפסים הללו הציגו את המבנה הדו-שכבתי האופייני של כלי דם אנושיים, אלא שאחרי חמישה ימים של זלוף עם נוזל מחקה דם, ה-OBBs הלבביים החלו לפעום באופן סינכרוני – מעיד על רקמת לב בריאה ומתפקדת. הרקמות גם הגיבו לתרופות לב נפוצות – איזופרוטרנול גרם להן לפעום מהר יותר, והבלביסטטין עצר אותן מלפעום. הצוות אפילו הדפיס בתלת-ממד מודל של כלי הדם המסועפים של העורק הכלילי השמאלי של חולה אמיתי לתוך OBBs, והוכיח את הפוטנציאל שלו לרפואה מותאמת אישית.
"הצלחנו להדפיס בהצלחה בתלת-ממד מודל של כלי הדם של העורק הכלילי השמאלי בהתבסס על נתונים של מטופל אמיתי, המדגים את התועלת הפוטנציאלית של שיתוף-SWIFT ליצירת איברים אנושיים עם כלי דם ספציפיים למטופל", אמר לואיס. שהוא גם ה הפרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית הנסורג וייס ב-SEAS.
בעבודה עתידית, הצוות של לואיס מתכנן ליצור רשתות של נימים בהרכבה עצמית ולשלב אותן עם רשתות כלי הדם המודפסות בתלת-ממד כדי לשכפל בצורה מלאה יותר את המבנה של כלי דם אנושיים במיקרו-סקאלה ולשפר את תפקודן של רקמות שגדלו במעבדה.
לומר שקשה להנדס רקמות חיים פונקציונליות במעבדה זה אנדרסטייטמנט. אני גאה בנחישות וביצירתיות שהצוות הזה הראה בהוכחה שהם אכן יכולים לבנות כלי דם טובים יותר בתוך רקמות לב אנושיות חיות ומכות. אני מצפה להמשך הצלחתם במסע שלהם להשתיל יום אחד רקמה שגדלה במעבדה בחולים".
דונלד אינגבר, MD, Ph.D., המנהל המייסד של Wyss
אינגבר הוא גם ה יהודה פולקמן פרופסור לביולוגיה של כלי דם בבית החולים HMS ובבוסטון לילדים ו הפרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית הנסורג וייס ב-SEAS.
מחברים נוספים של המאמר כוללים את קתרינה קרול, אלכסנדר איינשוק, דניאל ריינולדס, אלכסנדר אלמין, בן פיכטנקרט וסבסטיאן אוזל. עבודה זו נתמכה על ידי תוכנית המלגות של הפקולטה Vannevar Bush בחסות משרד המחקר הבסיסי של עוזר שר ההגנה למחקר והנדסה באמצעות מענק המשרד למחקר ימי N00014-21-1-2958 והקרן הלאומית למדע באמצעות CELL-MET ERC (#EEC-1647837).
