גישות ניסויית כדי הנדסת רקמות
August 30th, 2007
שמי עלי קמאסי וכיום אני פרופסור עוזר במחלקה למדעי הבריאות והטכנולוגיה של MIT בהרווארד. ויש לי פגישה משותפת עם בית הספר לרפואה של הרווארד, במיוחד בבית החולים בריגהם ונשים, שהוא שלוחה של בית הספר לרפואה של הרווארד. ותחומי המחקר שלי הם בהנדסת רקמות בקנה מידה מיקרו ובתחום הביומות.
אז הרקע שלי מבחינה אקדמית הוא יותר והתחלתי בהנדסה כימית. עשיתי את התואר הראשון שלי בהנדסה כימית באוניברסיטת טורונטו, ובהמשך התחלתי להתעניין מאוד בהנדסה מוכוונת ביולוגיה. אז עשיתי תואר שני בהנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת טורונטו, ועבדתי במיוחד בהתמיינות תאי גזע.
ואז הגעתי ל-MIT ועשיתי את הדוקטורט שלי עם פרופסור רוברט לנגר בביו-הנדסה. ואחר כך, אחרי כמה חודשים של פוסט-דוקטורט, הצטרפתי לתפקיד הנוכחי שלי. תחומי המחקר שבהם אנו מתמקדים הם למעשה בממשק שבין ביולוגיה, הנדסה ומדעי החומרים.
לכן, ומה שאנחנו מנסים לעשות הוא לנסות לענות על שאלות שביוביולוגים מנסים לענות עליהן במשך זמן רב, אבל לנסות לעשות זאת בדרך שבעבר לא ניתן היה לעשות על ידי הכנסת טכנולוגיות חדשות ונקודות מבט חדשות להבנת השאלות הללו. ואחת הבעיות הרפואיות העיקריות שאנחנו מנסים לטפל בהן היא באמת המחסור הזה באיברים. איך אנחנו מייצרים איברים תלת מימדיים שיכולים להיות מושתלים כך שברור שיש מחסור עצום באיברים מקצועיים, וחולים רבים זקוקים לאיברים הניתנים להשתלה ויש רשימות המתנה עצומות.
אז אחד הדברים שאנחנו ואנשים אחרים בתחום הנדסת הרקמות ומנסים לעשות הוא לנסות לייצר גישות שבהן נוכל לייצר רקמות מלאכותיות. ובהתאם לאותה תפיסה, אחת הבעיות העיקריות שקיימות כרגע, שהיא גם בגילוי תרופות ומציאת תרופות חדשות, היא איך אנחנו מייצרים מודלים טובים יותר שמייצגים רקמות מחוץ לגוף כדי שנוכל לבחון תרופות וכימיקלים ולראות מה ההשפעות שלהם על רקמות מסוג זה. ואז ברגע שנוכל לעשות את זה כמו שצריך, אז נוכל לחזות התנהגות הרבה יותר טובה לגבי התרופות שבאמת יהיו יעילות.
אז אין לך את ההחזרות של התרופות לאחר שהן אושרו ואת תופעות הלוואי ואתה יכול לקבל תהליך גילוי תרופות הרבה יותר טוב. התקנים מיקרופלואידיים הם תת-סעיף של מה שאנו מכנים טכנולוגיות בקנה מידה מיקרו. ומה בטכנולוגיות המיקרו-סקאלה האלה, אני, אולי אסביר מה מתחיל עם זה.
מה שהם מנסים לעשות זה לנסות לחקות את המורכבות של רקמות ביולוגיות או מערכות ביולוגיות. אז רוב התאים הם בסביבות עשרות מיקרומטרים. וכדי להבין באמת תאים בממדים האלה, אתה צריך טכנולוגיות כדי להיות מסוגל להנדס מה התא רואה ומה התא חש בקנה מידה של אורך שנע בין קטן בהרבה מ-10 מיקרומטר לגדול מ-10 מיקרומטר.
אז אתה יכול להיות בעל תאים בודדים ולהיות מסוגל, להיות מסוגל לתמרן את סביבתם. אז מה שמערכת כמו מיקרופלואידיקה מאפשרת לנו לעשות זה לנסות, מאפשרת לנו שליטה הדוקה מאוד על האופן שבו גורמים מסיסים מועברים לתאים. אז דוגמה לכך היא היכולת לקבל תעלה מיקרופלואידית וליצור שם שיפוע ריכוז של a, כימוקין או גורם גדילה או ציטוקין.
ומה שזה מאפשר לנו לעשות עכשיו זה לנסות לחקות את מה שקורה במהלך התפתחות נורמלית או בתוך מערכות ביולוגיות שבהן יש שיפועי ריכוז ברחבי אורגניזם שלמעשה אומר לתא מה הם, מה הוא צריך לעשות. אז מה עם מערכות מיקרופלואידיות, אנחנו יכולים לייצר סוגים כאלה של מורכבות ביולוגית בצורה מבוקרת מאוד ואז לנתח את התנהגות התאים ישירות פנימה, בחשיפה לסוג כזה של שיפועי ריכוז או אותות ביולוגיים בעלי אוריינטציה ביולוגית ומרחבית. אז הנדסת רקמות נוצרה כנראה עכשיו לפני כ-20 או 30 שנה עם הרעיון לנסות להשתמש בתאים הניתנים להשתלה ולמזג אותם עם חומרים כך שנוכל, אתם יודעים, לייצר רקמות תלת-ממדיות טובות יותר ולמעשה התחילה בהתחלה על ידי אנשים שניסו להשיג חומרים מתכלים, לייצר מהם קצף.
וכך, אתם יודעים, הם מבנים נקבוביים מאוד. ואז זורעים את הקצף הזה עם תאים. אז כאשר התאים נעים בתוך הקצף הזה, הם מתיישבים במקומות מסוימים וככל שהזמן עובר, התאים יתחילו להפקיד את המטריצה הביולוגית שלהם.
ומכיוון שהחומרים הללו מתכלים, החומרים מתכלים עם הזמן ומה שנשאר לך הוא רקמה ביולוגית לחלוטין. והגישה הזו הייתה שימושית במיוחד עבור כמה איברים פשוטים יותר, כמו סחוס. ולמעשה היו דברים כמו העור המלאכותי שלנו שלמעשה אושר על ידי ה-FDA.
אז זה היה בר קיימא מבחינה קלינית. היכן שגישה זו יכולה להזדקק לעזרה רבה יותר היא ביחס למבנים מורכבים יותר כמו, כמו הלב, או הכבד, שם יש לך באמת אינטראקציות מבוקרות מאוד בין תאים ומורכבות וארכיטקטורה מבוקרות מאוד בקנה מידה מיקרו. אז אחד הרעיונות המקוריים בהנדסת רקמות, שהיה שכאשר שמים את התאים, התאים מסדרים את עצמם מחדש כדי לייצר חלק מהמורכבות הזו שאתה רואה בגוף הרגיל.
אבל זה, וזה אכן קורה במידה מסוימת, אבל זה לא קורה עד הסוף. אז איבר מהונדס רקמות ברמת המיקרו-מבנה, הוא עדיין יהיה שונה מרקמה ביולוגית טבעית באמת. וזה בגלל שהתאים פשוט לא מרכיבים את עצמם כפי שהם היו מרכיבים את עצמם לחלוטין במהלך ההתפתחות, במהלכה ובמהלכה.
אז מה שאנחנו מנסים לעשות הוא, ביחס למיקרוסקאלה והנדסת רקמות נעות במיקרו, לנסות ללכוד מחדש את המורכבות הזו. אז איך אנחנו עושים את זה? אז מהן המורכבויות שאנחנו רוצים לייצר?
ובכן, אחד הדברים הוא שרקמות כלי הדם הן מאוד מאוד וסקולריות והאספקה הזו, שמספקת לרקמה חמצן וחומרים מזינים ודברים אחרים שהיא צריכה. אז כרגע קשה מאוד להנדס מבנים גדולים של רקמות ולהיות מסוגלים לספק לכל התאים את הכמויות הנכונות של חומרים מזינים וחמצן. דבר אחד שטכנולוגיות בקנה מידה מיקרו מאפשרות לנו לעשות הוא למעשה פוטנציאלית להנדס את כלי הדם המיקרו ישירות במבנים התלת-ממדיים שלנו.
דבר נוסף שטכנולוגיות מיקרו-סקאלה מאפשרות לנו לעשות הוא לנסות לשלוט באופן שבו סוגי תאים שונים מתקשרים בתוך המבנה התלת-ממדי הזה. אז אולי תרצה שיהיה לך סוג תא במבנה מסוים וסוג תא משני לידו בדיוק כמו בגוף. ובאמצעות טכנולוגיות בקנה מידה זעיר, אנו יכולים לנסות ללכוד מחדש את הגיאומטריות והמורכבויות הקיימות בגוף בתוך המבנה התלת-ממדי שלנו.
אז אנחנו לא צריכים בהכרח לקוות שהם יתאספו בעצמם ישירות בתוך הפיגומים. ישנם מספר אתגרים. אחד האתגרים העיקריים ביחס לאופן שבו אנו יכולים להנדס רקמות הוא באמת, גם אם אנו מייצרים רקמה שהיא תלת מימדית, אנו עדיין רוצים שהיא תהיה פונקציונלית ויש מגוון של פונקציות מטבוליות מכניות וביוכימיות שרקמות רגילות עושות, שהאיברים המהונדסים רקמות אלה צריכים, אתם יודעים, כדי, בעצם ללכוד מחדש ולחקות.
אז מה שמהווה בעיה כרגע הוא שאיברים מהונדסי רקמות רבים אינם מגיעים לביצועים הביולוגיים הטבעיים שלהם. וחלק מהבעיה היא שביחס לסוגי החומרים שאנו משתמשים בהם כרגע, הם לא בהכרח מותאמים למגוון יישומים שונים. ואתם יודעים, אנחנו, כרגע, אנחנו עדיין צריכים להבין טוב יותר את הביולוגיה של ההתפתחות ואת הביולוגיה של ריפוי פצעים כדי להיות מסוגלים לשחזר תנאים המאפשרים לתאים בתוך הפיגומים התלת-ממדיים הללו ללכת באמת עד למה שאתם יודעים, הם היו בגוף במהלך התפתחות נורמלית או ריפוי פצעים רגיל כדי שנוכל לקבל מבנים סופיים שלמעשה מחקים התחדשות אמיתית או, אתה יודע, רקמות מפותחות.
והביולוגיה עדיין נחקרת ומפותחת. אז אתה יודע, זה דבר אחד זה ביולוגיה, השני הוא חומרים טובים יותר. ולבסוף, אני חושב שהבעיה הגדולה היא עדיין מקור התאים.
אתה יודע, זו הסיבה שחשוב מאוד לנסות לחקור מקורות תאים חלופיים מכיוון שתאי הגוף שלנו, אתה יודע, הם, אתה יודע, תאי הגזע הבוגרים הם מקור פוטנציאלי פוטנציאלי לתאים. גם דברים כמו גישות עובריות וגם גישות חדשות שאנשים מוצאים משתמשים, אתה יודע, באמצעות תאי עור או תאים אחרים כדי להשיג תאים פרימיטיביים מאוד שבהם אתה יכול לנסות לכוון את ההתמיינות שלהם ולקבל מקור בר-קיימא של תאים. אז הייתי אומר שאלה שלוש בעיות עיקריות, אתם יודעים, חומרים טובים יותר, הבנה טובה יותר של הביולוגיה והשגת מקור תאים טוב יותר בחמש השנים הקרובות.
שם יהיו הרבה שינויים ביחס להפיכת הטכנולוגיות המיקרו-סקאלה הללו לישימות יותר הן לביולוגים והן למהנדסי רקמות. אני חושב שהרבה אנשים מבינים עכשיו כמה חשוב באמת ללמוד גם ביולוגיה וגם לייצר רקמות ברזולוציה מיקרו-סקאלית. ואני מאמין שזו הולכת להיות מגמה מתמשכת מאוד בשנים הקרובות.
ואני חושב שהיבט נוסף הוא שתהיה הרבה יותר אינטראקציה בין האנשים במוצר הסופי, בין אם זה הרופאים הקליניים, ואתם יודעים, ה-FDA או סוכנים רגולטוריים אחרים, ואתם יודעים, האנשים הבסיסיים והעסקיים. אז יש, שם תהיה יותר ויותר אינטראקציה עם הישויות האלה, עם החוקרים הבסיסיים כדי לנסות לחזור אחורה ולנסות לראות מהן הבעיות העיקריות במסחור חלק מהמדע שפותח. ואני חושב, ואיך אנחנו עושים את זה בצורה בטוחה ואחראית מבחינה אתית.
אז אני חושב שיש גם מבחינה מדעית, יש עדיין צעדים גדולים לעשות, אבל גם ביחס לדברים אחרים, עדיין יהיו, הרבה דברים ייעשו ואני חושב שחמש שנים לפחות יהיו, הצעדים הראשונים וב-10, 15 השנים הבאות, זה הזמן שבו הדברים באמת הולכים להיות מעניינים ביחס לאופן שבו חלק מהטכנולוגיות הללו, באופן ספציפי ביחס להנדסת רקמות ו-IT, היישום של הטכנולוגיות הללו לגילוי תרופות ודברים אחרים, האופן שבו זה הולך לשמש ביישומים בעולם האמיתי תלוי באמת באיזה איבר אנחנו מדברים ועל איזה סוג של יישום אנחנו מדברים. ברור שהיישום הראשון והברור ביותר עבור, אתה יודע, רקמות מלאכותיות הוא בתחום גילוי התרופות או בתחום האבחון שבו אתה מנסה להבין טוב יותר לקבל מודלים פיזיולוגיים טובים יותר שיכולים להיות לך בתרבית רקמה מחוץ לגוף ולהיות מסוגל לנתח אותם, לחקור אותם כדי להבין את הביולוגיה טוב יותר או לחקור אותם כדי להבין, אתם יודעים, הכימיקלים או התרופות היעילים. ואני חושב שבתחום הזה, האתגר העיקרי הוא באמת להשיג משהו שמחקה את הרקמה הטבעית, באופן מלא ככל האפשר, כך שאם מבנה הרקמה שלך אומר שמשהו רעיל, אתה יכול להיות בטוח מאוד שאם אתה מכניס אותו לחיה, אז זה יהיה זה, זה יהיה רעיל וזה יהיה מאוד מנבא איזו תגובה תקבל בחיה.
לכן, ואני חושב שבכל הנוגע ליישומים הטיפוליים עצמם, יש עדיין הרבה יותר מכשולים להתגבר עליהם. ואני חושב שהעיקריים, העיקריים שבהם הם איך החומרים הטיפוליים האלה הולכים להתנהג, אתה יודע, לטווח הקצר והארוך, כי אף אחד לא באמת מבין איך, אתה יודע, תאים זרים, נניח, אתה יודע, תאים מהונדסים או מונעי תאי גזע מתאי גזע עובריים או אתה יודע, מאנשים אחרים הולכים להתנהג ב, בגוף שלי או של מישהו אחר בטווח הארוך. והשני, אני חושב שיש גם שאלות אתיות אחרות כמו, אתה יודע, איך אנחנו בעצם, אתה יודע, האם זה, מהו מקור התא הטוב ביותר שהוא, אתה יודע, גם מאותגר אתית אחראי מבחינה אתית, אבל גם אפשרי מבחינה מדעית וקלינית וביחס להנדסת איברים בפועל, אני חושב ששם, השאלה העיקרית היא האם אתה יכול לקבל משהו שהוא גם בטוח וגם יתפקד כראוי ואתה יודע, יש הרבה מנגנוני ויסות שכל סוג של איבר מהונדס רקמות צריך להתגבר עליהם.
ואני חושב שה-FDA בשלב זה מתחיל לחקור כיצד לווסת רקמות ביולוגיות שאנשים מהנדסים ליישומים טיפוליים. ואני חושב שיש תקדים אחד או שניים למוצרים מסוג זה שהולכים למסחור, אבל עדיין אין מסלול סטנדרטי מאוד שבו אתה יודע בדיוק מה הולך לקרות כדי להעביר משהו ממעבדה למוצר סופי. אז עבור חלק מהאנשים, אתם יודעים, משהו כמו עור, אתם יודעים, אתם יודעים, כבר יש לנו את זה.
בשביל משהו כמו לב, לב שלם, הייתי אומר שאנחנו רחוקים מאוד. אתה יודע, הייתי אומר אולי, אתה יודע, כנראה 50, אתה יודע, אני רוצה להיות מאוד שמרן. זה יכול לקרות מוקדם יותר, אבל יש הרבה אתגרים להשיג משהו שנכון ובעל המורכבות הנכונה ומתפקד כראוי כמו רקמה ביולוגית רגילה.
אבל אני חושב שביחס לדברים קטנים יותר כמו רקמת לב, אתה יודע, ולא לב שלם, אנחנו הרבה יותר קרובים. והייתי אומר, אתה יודע, ביחס ליישום קליני ומשהו שלמעשה עבר את התהליך הרגולטורי, אתה יודע, זה אפשרי למשהו בתוך 15 שנה, אתה יודע, שבאמת יהיו חתיכות של רקמת לב ניתנות להשתלה שאתה יכול, אתה יכול לעשות. ואני חושב שרוב זה יהיה בשלב הרגולטורי כי כרגע לאשר תרופה זה לוקח 12 שנים.
אז אפילו אם יש לנו משהו כרגע, שאנחנו חושבים שהוא מושלם, אתה יודע, זה ייקח לפחות עשור כדי לוודא שהוא בטוח והוא גם עושה את התפקוד הנכון כדי שנוכל, אתה יודע, באופן נרחב, להשתמש בו בחולים.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה
עלי קמאסי הוא פרופסור עוזר במחלקת מדעי הבריאות והטכנולוגיה של אוניברסיטת הרווארד MIT, עם התמקדות בהנדסת רקמות בקנה מידה מיקרוסקופי וביו-מערכות. המסע האקדמי שלו התחיל בהנדסה כימית, ועבר להנדסה ביו-רפואית עם התמחות בהתמיינות תאי גזע.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- הנדסת רקמות בקנה מידה מיקרוסקופי
- הנדסה ביו-רפואית
- התמיינות תאי גזע
רקע
- תואר ראשון בהנדסה כימית מאוניברסיטת טורונטו.
- תואר שני בהנדסה ביו-רפואית, גם מאוניברסיטת טורונטו.
- תחומי המחקר כוללים את צומת הביולוגיה וההנדסה.
- מינוי משותף עם בית הספר לרפואה של הרווארד בבית החולים ברגהאם ונשים.
מטרת המחקר
- לחקור התקדמות בהנדסת רקמות.
- לחקור את היישום של התמיינות תאי גזע.
- לתרום לתחום הביו-מערכות באמצעות פתרונות הנדסיים חדשניים.
שיטות שימוש
- מחקר בטכניקות של הנדסת רקמות בקנה מידה מיקרוסקופי.
- ניסויים המתמקדים בתהליכי התמיינות תאי גזע.
- שיתוף פעולה עם מוסדות רפואיים ליישומים מעשיים.
- שימוש בעקרונות הנדסיים בהקשרים ביולוגיים.
תוצאות עיקריות
- תובנות על הנדסת רקמות ביולוגיות.
- ממצאים על היעילות של שיטות התמיינות תאי גזע.
- יישומים פוטנציאליים בטיפולים ותרופות רפואיות.
- תרומות להבנת הביו-מערכות במדעי הבריאות.
מסקנות
- הנדסת רקמות בקנה מידה מיקרוסקופי מבטיחה יישום רפואי עתידי.
- מחקר תאי גזע הוא קריטי להתקדמות ברפואה רגנרטיבית.
- גישות בין-תחומיים משפרות את ההבנה של מערכות ביולוגיות.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Microscale tissue engineering is reshaping early drug discovery and preclinical modeling by enabling the creation of physiologically relevant, three-dimensional tissue constructs. These engineered systems address the critical need for predictive in vitro models that better recapitulate native tissue complexity, supporting more confident compound evaluation and translational decision-making. The approach directly impacts portfolio risk management by improving the reliability of toxicity and efficacy assessments before animal or clinical studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of therapeutic hypotheses in biologically relevant, engineered tissue environments.
- Supports mechanistic de-risking by mimicking native tissue architecture and cell-cell interactions.
- Improves predictive confidence for target validation through controlled microenvironmental cues.
Screening & Assay Development
- Facilitates development of standardized, reproducible tissue models for compound screening.
- Provides quantitative outputs by enabling precise control of soluble factor gradients and spatial cell arrangements.
- Enhances assay scalability and platform reuse for diverse drug discovery programs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered tissue constructs with disease-relevant systems for translational biomarker studies.
- Improves continuity from discovery to preclinical validation by bridging the gap between in vitro and in vivo responses.
- Supports risk-adjusted advancement decisions by providing more predictive preclinical data.
Pipeline & Workflow Integration
Microscale tissue engineering integrates into the discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification and preclinical validation, particularly in drug screening and toxicity assessment workflows.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing and pathway clarification in engineered microenvironments.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative readouts for compound evaluation in physiologically relevant models.
- Analytics: Provides spatial and temporal control for measuring cell responses to defined stimuli.
- Translational Research: Bridges in vitro and in vivo studies by recapitulating key aspects of tissue complexity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for diverse therapeutic area applications and cross-program standardization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in early-stage R&D.
- Operational Value: Promotes standardization, reproducibility, and scalability across discovery teams.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of candidates with higher translational potential.
Implementation Considerations
- Requires multidisciplinary expertise in biology, engineering, and material science.
- Demands access to microfabrication, microfluidics, and advanced imaging infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of tissue model protocols and analytical outputs.
- Must be adapted for specific tissue types and disease models to maximize relevance.
- Current limitations include incomplete recapitulation of native tissue function and challenges in sourcing optimal cell types.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
4:49
What is ahead in the tissue engineering
1:19
Area of research: tissue engineering
12:23
Translation of basic science to new therapies
0:13
Introduction
2:59
Advantages of microfluidic devices
15:14
Perspectives for lab-created organ transplantation
8:16
Main challenges in tissue engineering
