בארצות הברית יש יותר ממאה אלף אנשים ברשימות השתלות איברים, שחלקם יחכו שנים כדי לקבל אחד – וחלקם עשויים שלא לשרוד את ההמתנה. אפילו עם התאמה טובה, יש סיכוי שגוף של אדם ידחה את האיבר. כדי לקצר את תקופות ההמתנה ולהפחית את האפשרות לדחייה, חוקרים ברפואה רגנרטיבית מפתחים שיטות לשימוש בתאים של המטופל עצמו כדי לייצר לבבות, כליות, כבדים ואיברים אחרים לפי דרישה.
הבטחת חמצן וחומרים מזינים יוכלו להגיע לכל חלק באיבר שגדל לאחרונה היא אתגר מתמשך. חוקרים בסטנפורד יצרו כלים חדשים לעיצוב ותלת מימד להדפיס את העצים כלי הדם המורכבים להפליא הדרושים בכדי לשאת דם ברחבי איבר. הפלטפורמה שלהם, שפורסמה ב- 12 ביוני ב מַדָעמייצר עיצובים הדומים למה שאנו רואים בפועל בגוף האדם מהיר משמעותית מהניסיונות הקודמים ומסוגל לתרגם את העיצובים הללו להוראות למדפסת תלת מימד.
היכולת להגדיל את הרקמות המוצלחות ביולוגית מוגבלת כיום על ידי היכולת לייצר עבורם כלי הדם – אינך יכול לגודל את הרקמות הללו מבלי לספק אספקת דם. הצלחנו להפוך את האלגוריתם לייצור כלי הדם לרוץ במהירות פי 200 משיטות קודמות, ואנחנו יכולים לייצר אותו לצורות מורכבות, כמו איברים. "
אליסון מרסדן, הדוגלס מ 'ונולה ליישמן פרופסור למחלות לב וכלי דם, פרופסור לרפואת ילדים ושל הנדסה ביולוגית בסטנפורד בבתי הספר להנדסה ורפואה וסופר סניור משותף על העיתון
כלי הדם בקנה מידה איברים
כאשר נשאב דם לאיבר בגוף, הוא עובר מעורק גדול לכלי דם קטנים יותר ומסתעפים, שם הוא יכול להחליף גזים וחומרים מזינים עם הרקמות הסובבות. ברוב הרקמות, התאים צריכים להיות ברוחב שיער של כלי דם כדי לשרוד, אך ברקמות תובעניות מטבוליות כמו הלב, המרחק קטן עוד יותר-יתכן שיש יותר מ -2,500 נימים בקוביה בגודל מילימטר. כל כלי הדם הזעירים הללו מצטרפים בסופו של דבר יחד לפני שהם עוזבים את האיבר.
רשתות כלי הדם הללו אינן סטנדרטיות; איברים מגיעים בצורות רבות, ויש הרבה מגוון אפילו בין שני לבבות בגודל דומה. עד לנקודה זו, יצירת מודל של רשת כלי דם מציאותית שמתאימה לאיבר ייחודי ומורכב הייתה קשה וגורם זמן רב. חוקרים רבים הסתמכו במקום זאת על סריגים סטנדרטיים, שעובדים היטב במודלים של רקמות קטנות מהונדסות אך אינן מסתדרות היטב.
מרסדן ועמיתיה בנו אלגוריתם ליצירת עצי כלי דם המחקים מקרוב ארכיטקטורות של כלי דם איברים, והפכו את התוכנה לזמינה לכל אחד להשתמש באמצעות פרויקט Simvascular-Opence שלהם. הם שילבו הדמיות דינמיקות נוזלים כדי להבטיח כי כלי הדם יפיצו באופן שווה את הדם ויקצר בהצלחה את הזמן הדרוש לייצור הרשת תוך הימנעות מתנגשויות בין כלי דם ויצירת לולאה סגורה עם כניסה ויציאה יחידה.
"לקח כחמש שעות לייצר דגם מחשב של עץ כדי לבסס את כלי הדם האנושי. הצלחנו להגיע לצפיפות שבה כל תא במודל היה נמצא במרחק של 100 עד 150 מיקרון מכלי הדם הקרוב ביותר, וזה די טוב", אמר זכרי סקסטון, מלומד פוסט-דוקטורט במעבדה של מרסדן והמחבר המשותף על העיתון. העיצוב הכיל מיליון כלי דם. "המשימה הזו לא נעשתה לפני כן, וכנראה הייתה לוקח חודשים עם אלגוריתמים קודמים."
בעוד שמדפסות תלת מימד עדיין אינן עומדות במשימה להדפיס רשת כה בסדר גודל וצפוף, החוקרים הצליחו לתכנן ולהדפיס דגם כלי דם עם 500 סניפים. הם גם בדקו גרסה פשוטה יותר כדי להבטיח שהיא יכולה להחזיק תאים בחיים. בעזרת ביו -פרינטר תלת -ממדי – המדפיס עם תאים חיים במקום שרף או מתכת – החוקרים יצרו טבעת עבה עמוסה בתאי כליה עובריים אנושיים ובנו רשת של 25 כלי שיט העובר דרכה. הם שאבו נוזל עמוס בחמצן וחומרים מזינים דרך הרשת ושמרו בהצלחה מספר גבוה של תאים בסמיכות לרשת כלי הדם בחיים.
מארק סקיילר-סקוט, פרופסור לביו-הנדסה וסופר סניור, אמר כי "אנו מראים כי כלי שיט אלה יכולים להיות מעוצבים, להדפיס ויכולים לשמור על תאים בחיים". "אנו יודעים שיש עבודה לעשות כדי להאיץ את ההדפסה, אך כעת יש לנו את הצינור הזה לייצר עצי כלי דם שונים ביעילות רבה וליצור מערך הוראות להדפסתם."
לב דו -דמוי ביולוגי
החוקרים ממהרים לציין כי רשתות כלי הדם הללו אינן עדיין כלי דם פונקציונליים – הם תעלות מודפסות באמצעות מטריצה תלת -ממדית, אך אין להם תאי שריר, תאי אנדותל, פיברובלסטים או כל דבר אחר שהם יצטרכו לעבוד בעצמם.
"זה הצעד הראשון לקראת יצירת רשתות כלי דם מורכבות באמת", אמר דומיניק רוצ'ה, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של סקילר-סקוט וסופר ראשוני על העיתון. "אנחנו יכולים להדפיס אותם במורכבות שלא נראתה מעולם, אבל הם עדיין לא כלי פיזיולוגיים לחלוטין. אנו עובדים על זה."
הפיכת עיצובים אלה לכלי דם מתפקדים היא רק אחד מההיבטים הרבים של הדחיית ביולוגית של לב אנושי מתפקד עליו פועלים סקילר-סקוט ועמיתיו. הם גם בוחנים כיצד לעודד את כלי הדם הזעירים ביותר – אלה שהם קטנים מדי או מרווחים מדי להדפיס – לצמוח בעצמם, לשפר את היכולות של חטיבי ביו תלת מימדי כדי להפוך אותם למהירים ומדויקים יותר, וגדלים את הכמויות העצומות של התאים שהם יצטרכו להדפיס לב שלם.
"זהו צעד קריטי בתהליך," אמר סקילר-סקוט. "יצרנו בהצלחה מספיק תאי לב מתאי גזע אנושיים כדי להדפיס את כל הלב האנושי, וכעת אנו יכולים לתכנן עץ כלי דם טוב ומורכב כדי לשמור עליהם ואוכלים אותם. אנו מחברים כעת באופן פעיל את השניים: תאים וכלי דם, בסולם האיברים."
מרסדן הוא פרופסור לרפואת ילדים, של הנדסה ביולוגית, ובאדיבות הנדסת מכונות; וחבר בסטנפורד ביו-X, המכון הקרדיווסקולרי של סטנפורד, ברית הביצועים האנושיים Wu Tsai, המכון לחקר אמהות וילדים, והמכון להנדסה חישובית ומתמטית.
Skylar-Scott הוא חבר ב- Bio-X, במכון הקרדיווסקולרי של סטנפורד ובמכון Wu Tsai Neurosciences.
מחברים משותפים נוספים של סטנפורד של מחקר זה כוללים פרופסור לרפואה שון מ. וו; חוקרים פוסט -דוקטורט ג'יאני דו, ג'ונתן פאם וג'ייסון מ. שפרון; וסטודנטים לתארים מתקדמים ג'סיקה א. הרמן, סוהם סינהא, אנסטסיה מסלטסבה ופרדריק סמדאל סולברג.
מחברים משותפים אחרים בעבודה זו הם מאוניברסיטת קרנגי מלון.
עבודה זו מומנה על ידי הקרן הלאומית למדע, המוסדות הלאומיים לבריאות, הקרן הלאומית למדע השוויצרית, התוכנית למלומדי ברג, אלפא אומגה אלפא קרולין ל. קוקין, מלגת מחקר סטודנטים, דורותי די די ומארג'ורי הלנה, פרס אמריקה, פרס פארק. קרן הופמן/שרפרפר, קרן המלומדים של ג'ואן וסנפורד I. וייל, פריצת דרך T1D, מכון לב, לונג ודם לאומי, סוכנות פרויקטים מחקריים מתקדמים לבריאות, מיזמים נוספים מרפא שיתופי פעולה ומכון לב וכלי דם סטנפורד.
מחקרים שדווחו בפרסום זה נתמכה על ידי סוכנות הפרויקטים המתקדמים של פרויקטים לבריאות (ARPA-H) תחת מספר הפרס AY1AX000002. התוכן הוא אך ורק באחריות הכותבים ואינו בהכרח מייצג את השקפותיה הרשמיות של סוכנות הפרויקטים המתקדמת של פרויקטים לבריאות.
