ראיון: bioreactors ועלו-Modified-3D פיגומים למחקר בתאי גזע

שמי קרלן ואני עובד כביופיזיקאי במכון לממשקים ביולוגיים. במכון קאלסקרו לטכנולוגיה, אנו מפתחים ביו-ריאקטורים ופיגומים תלת-ממדיים בעלי פני שופרו לגידול רקמות פונקציונליות ולמחקר תאי גזע; אנו מתעניינים בעיקר באינטראקציה של תאים עם סביבתם המלאכותית. מאמר מערכת ב-Nature בשנת 2003 העלה את השאלה "מהי ביולוגיה שטוחה" (flat biology), והשאלה היא, למה הכוונה בכך?

בעבר, מערכות תרבית in vitro רבות, בעיקר תרביות בשכבה אחת (monolayer), סבלו מחסרונות כגון אורך חיים קצר יחסית של תאים ראשוניים מובחנים ודה-דיפרנציאציה במהלך התרבית. משמעות הדבר היא שהם איבדו את רוב תפקודיהם הספציפיים לאיבר במהירות רבה. לכן, על מנת לשחזר תנאים טובים יותר עבור תאים אלו in vitro, בוצעו שינויים והתאמות רבות ושונות בתרביות monolayer קונבנציונליות.

וזה כולל את הרכב מצע התרבית ואת יצירת הציפוי של כלי התרבית שבהם התאים יוצרים בעיקר שכבות יחידות. כל הגישות הללו מצביעות על חשיבותן של אינטראקציות בין תאים למטריצה, כמו גם על תקשורת בין-תאית. היבט חשוב נוסף נראה כהקמתו של הקשרים ספציפיים לתאים, הממומשים, למשל, על ידי קומפלקסים של צומת פער (gap junction), המהווים מאפיין נפוץ של תאים רבים in vivo.

בתרביות חד-שכבתיות (monolayer) קונבנציונליות, התקשורת דרך צמתי פער (gap junctions) אובדת במהירות. במשך זמן רב, ניתן היה להחזיר במידה מסוימת סידור של תאים דמוי רקמה במערכות in vitro, באמצעות שיטה המכונה "טכניקת הסטרואידים".

דוגמה מהמעבדה שלנו הראתה שגם הפטוציטים בוגרים של חולדה מסוג ru מסוגלים לסנתז סטרואידים ולהישאר חיוניים למשך שבועות לפחות בתוך אגרגטים אלו. ההפטוציטים נשארים במגע הדוק זה עם זה, מה שמקדם את התקשורת התאית ומוביל לייצוב של תפקודים ספציפיים להפטוציטים. עם זאת, מצאנו כי לטכניקה זו של תרבית תלת-ממדית קונבנציונלית ישנם מספר חסרונות.

גודל הצביר הוא קריטי. צברים בעלי קוטרים גדולים עלולים לגרום לנמק, וברוב המקרים, היחס בין נפח המצע למספר התאים אינו מתאים. כמו כן, כוחות גזירה ותרביות במיכלים מסובבים (spinner cultures) עלולים להוות בעיה.

איברים ורקמות באורגניזמים חיים מאופיינים, בין היתר, בצפיפות תאים גבוהה מאוד, וכן הובלה פעילה ומכוונת של חומרים דרך שכבות רקמה אלו היא מאפיין חשוב. לפיכך, מודלים ריאליסטיים של רקמה אורגנוטיפית in vitro צריכים לשחזר בצורה ההדוקה ביותר את הארכיטקטורה הטבעית הזו. גורם מכריע במגבלות של מערכות כאלה הוא היחס המתאים בין נפח המדיום לנפח התאים.

ציינתי קודם לכן שתכננו בית תאים מתאים המעוצב כפיגום פולימרי בעל מיקרו-מבנה מדויק, המספק מכלים בגודל אחיד לתרבית תלת-ממדית של אגרגטים של תאים. עבור הפיגום הפולימרי, אנו מעדיפים להשתמש ב-PMMA או ב-PC polyether, ate או פוליקרבונט. זהו מכשיר שטוח בעל מיקרו-מבנה בשטח של סנטימטר רבוע אחד, המספק מערך צפוף של יותר מ-1000 ממכלים אלו.

עבור תרבית תלת-ממדית של אגרגטים של תאים, הוכח כי המערכת מתאימה לתרבית תאים בתלת-ממד לאורך מספר שבועות. לכל אחד מהמיכלים הקוביתיים הקטנים במערך זה אורך צלע של כ-300 Micrometers. העיצוב המיוחד של פיגום זה ושל ההיקף, כלומר תא הדגירה.

מערכת אספקת הגז והמצע של ה-ector מאפשרת מצבים שונים של אספקת מצע. ראשית, סופרפוזיה (superfusion) – משמעותה היא ששני צדי הרקמה מקבלים אספקה נפרדת של מצע תזונתי, ושנית, פרפוזיה (perfusion).

משמעות הדבר היא שזרימת המצע נאלצת לחדור דרך שכבת הרקמה. ניתן להשתמש במצב פרפוזיה (perfusion) כדי ליצור תנאים הדמים באופן טוב יותר את הווסקולריזציה in vivo, אך ניתן להשתמש גם במצב משולב של פרפוזיה וסופרפוזיה (superfusion). פותחו דורות שונים של שבבי תאים.

ניתן להשתמש בכל דור עם תכנון מסוים כדי לענות על הצרכים של כל יישום מיוחד. לדוגמה, נבנו תכנונים של ביו-ריאקטורים בעלי תא אחד או שניים, כמו גם סידורי רב-טיטר הניתנים להפעלה בנפרד או גרסאות מקביליות מאוד. כגרסאות מוגדלות עבור הדור האחרון של צורות שונות אלו, פותחה טכנולוגיה מסוימת של המכונה מכלים מיקרו-תרמופורמיים, המציעה אפשרות נוספת לשינוי של כל פני השטח של מכלים תלת-ממדיים אלו; כך ניתן לבצע אפילו דפוס פני שטח בקנה מידה סוב-מיקרוני עם מולקולות סיגנלינג.

בנוסף, ניתן לשלב חיישנים ואלקטרודות לאסוף אותות. היישומים נעים ממחקר בסיסי וביולוגיה של התא ועד לרעלנות ופרמקולוגיה, ואף לסריקה בthroughput גבוה במידת הצורך. נקודה חשובה מאוד לסיום היא העובדה שהדור האחרון של שבבי המיקרו-תרמופורמינג שלנו עבר אופטימיזציה כדי לאפשר תהליכי ייצור המוני זולים, ובכך להקל על יישומם במעבדות אחרות.