רשת כלי הדם בכל גוף האדם מתפקדת כמחסום תחבורה חיוני על ידי ויסות דינמי של חילופי מולקולות ותאים בין הדם והרקמות הסובבות. ויסות זה חיוני למניעת בצקת רקמות ומאפשר חילופי חומרים מזינים ותאים סלקטיביים, ובכך תומך בחילוף חומרים ברקמה והומאוסטזיס1. חדירות אנדותל משתנה, גורם במצבים בריאותיים רבים, משפיעה הן על חומרת המחלה והן על יעילות הטיפול2. אנדותל כלי הדם פועל כמחסום סלקטיבי, המאפשר את המעבר בין כלי דם, רקמות ואיברים. ויסות זה כרוך במספר מנגנונים, כגון סינון בסיסי של מומסים ומולקולות קטנות, שיבוש מכוון של מחסום כלי הדם, והשפעת מולקולות כגון פרוסטגלנדינים וגורמי גדילה על רמות חדירות3.
גורמי מפתח בוויסות זה כוללים צמתים של תאי אנדותל, נדידת לויקוציטים והתפקוד של מחסום הדם-מוח4. בהתחשב במורכבותו, התהליך משתנה בסביבות שונות, מערב סוגים שונים של כלי דם ומשתמש במסלולים אנטומיים נפרדים. הבנת היסודות הביולוגיים של חדירות כלי הדם חיונית לפיתוח גישות טיפוליות לטיפול במצבים הקשורים לחדירות כלי דם חריגה. שמירה על חדירות כלי הדם חיונית לבריאות מערכת כלי הדם והרקמות הסובבות אותה; כתוצאה מכך, פגיעה בתפקוד זה מובילה לתפקוד לקוי של האנדותל, מצב שבו האנדותל מאבד את תפקודו הרגיל.
תפקוד לקוי של אנדותל הוא קודמן למספר מחלות נפוצות בבני אדם, כולל יתר לחץ דם, מחלת עורקים כליליים, סוכרת וסרטן 5,6,7. מצב זה יכול להתבטא במספר דרכים, כולל ירידה בהרחבת כלי הדם, חדירות מוגברת של כלי הדם ונטייה למצב פרו-דלקתי. מצב פתולוגי זה הוא השלב המוקדם ביותר של מספר בעיות לב וכלי דם קריטיות, כגון מחלת לב כלילית, שבץ מוחי ומחלת עורקים היקפיים8, אשר ממשיכים להיות הגורמים המובילים לתמותה בארצות הברית1. תפקוד לקוי של אנדותל משפיע על בריאות הלב וכלי הדם, כמו גם על מחסום הדם-מוח (BBB) וממלא תפקיד מרכזי בהתקדמות של הפרעות נוירולוגיות שונות. תפקוד לקוי יכול להגביר את חדירות BBB, ובכך לאפשר לרעלנים, פתוגנים ותאי מערכת החיסון לחדור למערכת העצבים המרכזית ולתרום להפרעות נוירולוגיות כגון שבץ, מחלת אלצהיימר, טרשת נפוצה וזיהומים במוח9.
תפקוד לקוי של אנדותל בסוכרת מסומן על ידי היכולת הנפגעת של האנדותל לווסת את טונוס כלי הדם ולייצר מתווכים מרחיבי כלי דם, כגון תחמוצת החנקן, מה שמוביל לפגיעה בהרחבת כלי הדם10. מצב זה מוחמר על ידי מסלולים הנגרמים על ידי היפרגליקמיה כגון הפעלת חלבון קינאז C ועקה חמצונית, התורמים באופן משמעותי להתקדמות מחלת כלי דם סוכרתיים11. יתר על כן, סביבה דלקתית נמצאה כמגבירה את היצמדות תאי הגידול לתאי אנדותל מיקרו-וסקולריים במוח בעוד אנדותל דולף דווח כגורם מרכזי בגרורות סרטניות12,13. הגיאומטריה של כלי הדם נמצאה כמשפיעה ישירות על גרורות בסרטן המוח. תאי הגידול מתחברים באופן מועדף לאזורים בעלי עקמומיות כלי דם גדולה יותר7. ממצא זה מדגיש את חשיבותה של גיאומטריית כלי הדם בגרורות סרטניות. חשוב מכך, במצבים כגון פיברוזיס וסרטן, הפרעה בתפקוד מחסום האנדותל לא רק ממלאת תפקיד בהתפתחות המחלה, אלא גם מעכבת את יעילות הטיפול בכך שהיא מעכבת מתן תרופות נאות14. מחקר על חדירות כלי דם הוא חיוני לקידום הטיפול במחלות לב וכלי דם ומציע תובנות לניהול מחלות אחרות הקשורות לתפקוד כלי דם נפגע.
בהתחשב בתפקיד המכריע של חדירות כלי הדם בבריאות ובחולי, מחקרים רבים התמקדו בבחינת האופי הסלקטיבי של מחסום האנדותל לפיתוח טיפולי באמצעות מודלים של בעלי חיים, לצד פלטפורמות מסורתיות של בדיקות דו-ממדיות ותלת-ממדיות במבחנה. עם זאת, מודלים של בעלי חיים יש מגבלות בגלל הבדלים ספציפיים למין מסוים ובעיות אתיות, כמו גם עלויות גבוהות15,16. לדוגמה, פייזר הצהירה ב-2004 כי במהלך 10 השנים שקדמו לכך, היא הוציאה יותר מ-2 מיליארד דולר על פיתוחי תרופות שהראו השפעות מבטיחות במודלים של בעלי חיים, אך בסופו של דבר נכשלו בשלבי ניסויים מתקדמיםבבני אדם 17. יתר על כן, מודלים דו-ממדיים מסורתיים אינם מחקים במדויק את הארכיטקטורה התלת-ממדית (3D) ואת המבנה הגיאומטרי המורכב של ערוצי כלי הדם.
עם ההתקדמות בטכנולוגיות ייצור ביולוגי, מאמצים נרחבים כוונו לייצור תעלות כלי דם תוך שחזור ארכיטקטורת תלת ממד. ניתן לייצר ביעילות תעלות כלי דם מיקרוסקולריות בתוך שבבים מיקרופלואידים באמצעות ליתוגרפיה רכה, ובכך להציע יתרון של ניתוח בזמן אמת18,19. שיטות חלופיות, כגון יציקת הידרוג'ל או כריכת יריעות תאים סביב תבנית או מנדל, ניתן להשתמש כדי ליצור מבנים צינוריים עצמאיים בקוטרהרצוי 20,21. עם זאת, שיטות אלה יש מגבלות; לדוגמה, שבבים מיקרופלואידים מוגבלים לתצורות מיקרו-ערוציות, ויציקת הידרוג'ל סביב תבנית אינה משכפלת ביעילות גיאומטריות מרובות.
עם הופעתה של טכנולוגיית הדפסה ביולוגית תלת-ממדית22, שכפול גיאומטריות מורכבות על ידי הפקדה מדויקת של חומרי הידרוג'ל שונים מבוססי מטריצה חוץ-תאית (ECM) הפך לאפשרי 23,24. שיטות הדפסה ביולוגית מסוימות, כגון אלה המשתמשות בחרירים מסודרים באופן קונצנטרי, למשל, קואקסיאלי וטריאקסיאלי25,26, אינן יכולות ליצור צינורות מפוצלים; עם זאת, מבנים מורכבים ניתן להשיג עם שיטות דפוס הקרבה27. אף אחת משיטות ההדפסה הביולוגית הללו לא הוכחה כמאפשרת מידול במבחנה בתפוקה גבוהה - דרישה חיונית למחקר פרמקולוגי בגילוי תרופות. כאן אנו מציגים שיטה לייצור יעיל של תעלות כלי דם אנדותליות עם שליטה יעילה על ממדים.
ביססנו גישה פשוטה באמצעות לוחות בעלי שש בארות הזמינים באופן מסחרי, בשילוב עם שיטת דפוס הקרבה שבה מדפסת ביולוגית מייצרת תעלות כלי דם בגדלים ודפוסים רצויים בתוך הידרוג'ל ECM. תאי אנדותל של ורידים טבוריים אנושיים (HUVECs) נזרעו כדי לאנדותל תעלות אלה ולהעריך את הפונקציונליות של אנדותל באמצעות בדיקת חדירות. תכנון זה מאפשר זילוח ללא משאבה על ידי יצירת מאגרי מדיה משני צידי הערוץ ומשתמש בזרימה מונעת כבידה בעזרת נדנדה דו-ממדית נפוצה כדי לחקות את התרבות הדינמית. גישה זו מבטלת את הצורך במשאבות פריסטלטיות ומקלה על המדרגיות של פלטפורמה זו עבור יישומים בעלי תפוקה גבוהה. האופי הנשלט על ידי מחשב של טכנולוגיית הדפסה ביולוגית תלת-ממדית גם מייעל את תהליך הייצור, ובכך מקטין את הסבירות לטעויות במהלך הייצור. מודל VOP מראה הבטחה ככלי רב ערך לבדיקות פרמקולוגיות בגילוי תרופות.