במחקר תרגומי, יצירת מודלים תלת מימדיים במבחנה המשכפלים באופן הדוק את הסביבה in vivo חיונית לקידום ההבנה המדעית והפיתוח הטיפולי1. מרכיב מרכזי בבנייתן הוא השימוש באנלוגים של מטריצה חוץ-תאית (ECM), כגון תמציות ממברנת מרתף מסיסות (SBMes), המשקפות טוב יותר את המורכבות של רקמות טבעיות. SBMes הם בעלי ערך מיוחד במגוון תחומי מחקר, מהנדסת רקמות ועד בדיקות תרופות 2,3. בפרט, הם הפכו לבסיסיים בחקר הסרטן, מכיוון שהם משכפלים תכונות מכניות וביוכימיות של מיקרו-סביבת הגידול, ומאפשרים פיתוח מודלים המשקפים טוב יותר את צמיחת הגידול, גרורות ותגובות טיפול.
ואכן, למרות התקדמות ניכרת בעשורים האחרונים, טיפולים רבים ממשיכים להיכשל, מה שמוביל לכישלון טיפולי תכוף במסגרות קליניות. כישלון זה מיוחס לעתים קרובות למנגנוני עמידות לתרופות הנגרמים על ידי רמות גבוהות של הטרוגניות תאים 4,5. מודלים יעילים במבחנה, המסוגלים לסכם במדויק את המורכבות של גידולים אנושיים, חיוניים להבנה טובה יותר של התפתחות הסרטן ולחיזוי תופעה זו.
תרביות תאים דו-ממדיות מסורתיות היו בסיסיות בחקר הסרטן, אך עלולות להוביל למידע מטעה לגבי יעילות התרופות והתנהגות הגידול, מכיוון שהן אינן מצליחות ללכוד את המבנה התלת-ממדי והמיקרו-סביבה של גידולים אמיתיים 6,7,8. לעומת זאת, מודלים תלת מימדיים במבחנה התגלו כחלופות מבטיחות, המציעות ייצוג מדויק יותר של מיקרו-סביבה של הגידול והתנהגות ביולוגית על ידי חיקוי מורכבות תלת מימדית 9,10.
בחקר הסרטן, אורגנואידים נמצאים בשימוש נרחב כמודלים תלת מימדיים לחקר מחלות ויעילות תרופות, מכיוון שהם מספקים מודלים מדויקים ורלוונטיים יותר של רקמות ואיברים אנושיים. השימוש ב-SBMe, שמקורו בתאי סרקומה של עכברי אנגלברת-הולם-נחיל, היה מרכזי בקידום חקר הסרטן11,12. הוא מספק מצע דמוי ג'ל שבו תאים יכולים לגדול, להתרבות ולהתארגן בעצמם למבנים אורגנואידים, מה שמבטיח התפתחות וצמיחה תקינים13,14.
עם זאת, SBMe מציב מספר אתגרים בשל המאפיינים הייחודיים והמורכבים שלו. כנוזל שאינו ניוטוני, SBMe מציג תכונות דילול גזירה, כלומר הצמיגות שלו פוחתת עם הגדלת מתח הגזירה, מה שהופך את הטיפול והיישום שלו לבלתי עקביים תחת כוחות משתנים. בנוסף, ההתנהגות התיקסוטרופית שלו מוסיפה למורכבות, מכיוון שהוא יכול לשחזר את הצמיגות שלו לאורך זמן כאשר מתח הגזירה מוסר15,16. תכונות אלה, יחד עם חוזק מכני נמוך (עם ערכי מודול אחסון הנעים בין 10 Pa ל-5,000 Pa בהתאם לריכוז החלבון) והתנהגות רגישה לחום, מחמירים את האתגרים הללו, ודורשים בקרה קפדנית במהלך ההכנה והשימוש כמו גם הדפסה ביולוגית טהורה.
מערכות הדפסה ביולוגית סטנדרטיות מונעות פנאומטיות אינן מצליחות לשלוט כראוי בחלוקת SBMe מכיוון שהפעלת לחץ גורמת להתנהגות בלתי נשלטת לאחר פליטתו מהמזרק. הוא מושפע מתופעה הדומה לאפקט "הזינוק" המתואר עבור נמסים פולימריים, שבו קצב הזרימה עולה בפתאומיות מעל ערך לחץ קריטי מסוים 17,18,19. כפי שדווח בעבודה הקודמת שלנו16, אסטרטגיית חלוקת בקרת הנפח מאפשרת ניתוק שחול SBMe מהלחץ שנוצר במתקן, התלוי בתכונות הריאולוגיות של המטריצה, תנאי העבודה וגיאומטריית הזרבובית. בשנים האחרונות נעשו מספר ניסיונות בשוק לנצל את אותו עיקרון, כאשר ה-Matribot של קורנינג מוביל את הדרך. הוא מאפשר טיפול ושקיעה של SBMe ודיו ביולוגי רגיש לטמפרטורה הודות לתנאי טמפרטורה מבוקרים. עם זאת, זה עשוי להיות יקר, ולהגביל את הנגישות למעבדות קטנות יותר.
במאמר הקודם שלנו, הצגנו חלופה מותאמת אישית בעלות נמוכה - מערכת הדפסה ביולוגית מונעת נפח16. גרסה זו התבססה על מדפסת תלת מימד ברמת כניסה שונה עם מכבש מודפס בתלת מימד מותאם אישית. למרות יעילותו בהדפסה ביולוגית, הוא הציג כמה מגבלות בחזרתיות ההדפסה. בהיותו נגזר ממדפסת תלת מימד ברמת הכניסה, היו לו כמה בעיות עם תנועות ה-Z והביות האוטומטי. כדי לענות על צרכים אלה, פיתחנו גרסה מתקדמת של מערכת החלוקה הנפחית המותאמת אישית שלנו בעלות נמוכה ופרוטוקול ספציפי למבני הדפסה ביולוגית באמצעות SBMe.
כאן, אנו מספקים פרוטוקולים לבנייה ושימוש במערכת זו. הוא מורכב ממכבש מבוקר נפח מותאם אישית, המבוסס על המחקר הקודם שלנו16, מארז מדפסת ביולוגית ומערכת בקרה. ייצור והרכבה נעשים עבור כל מודול. כאשר היא מורכבת ומתוכנתת עם קובץ gcode ספציפי, בהתאם לתיאור הפרוטוקול לטיפול במטריצה, המערכת מסוגלת להדפיס ביולוגית מבנים טהורים או מדוללים באמצעות SBMe עם נאמנות צורה טובה בשכבה אחת ובשכבות מרובות כאחד.