יצירת רקמת הלב מציגה שילוב מכני של Spheroids באמצעות 3D Bioprinting
2 ביולי 2017
פרוטוקול זה מתאר bioprinting 3D של רקמת לב ללא שימוש biomaterials. תלת מימד bioprinted תיקוני הלב מציגה שילוב מכני של spheroids רכיב והם מאוד מבטיח התחדשות רקמת הלב כמו מודלים 3D של מחלת לב.
מטרת הסרטון הזה היא להדגים הדפסה ביולוגית תלת מימדית של רקמת לב ללא שימוש בביו-חומרים, תוך שימוש בתאים בלבד. ראשית, קרדיומיוציטים, תאי אנדותל ופיברובלסטים מבודדים, נספרים ומעורבבים ביחסי תאים רצויים. לאחר מכן הם מופצים באמצעות פיפטה רב-ערוצית ולבארות בודדות בלוחות 96 בארות עם חיבור נמוך במיוחד.
התאים ב -96 צלחות הבאר מודגרים במשך שלושה ימים, לאחר שלושה ימים הם יוצרים ספרואידים הפועמים באופן ספונטני. מיקרוסקופיה קונפוקלית חושפת את הביטוי של חיבורים ב-43, המסומן בירוק פלואורסצנטי בקרדיומיוציטים חיוביים של טרופונין T, המסומנים באופן פלואורסצנטי באדום רחוק בתוך הספרואידים. 96 לוחות הבאר המכילים את הספרואידים נטענים לאחר מכן למדפסת הביולוגית התלת מימדית.
המדפסת הביולוגית התלת מימדית מתחילה בהעברת צלחת 96 בארות למיקום ממש ליד מערך המחטים באמצעות פלטפורמה נעה. לאחר מכן, המדפסת הביולוגית התלת מימדית בודקת את כל הספרואידים בלוח 96 הבאר כדי לקבל נתונים רלוונטיים לגבי כל ספרואיד כגון קוטרו וצורתו. זוהי תצוגה מקרוב של תהליך ההדפסה הביולוגית בתלת מימד.
הכדור נאסף מצלחת 96 הבאר משמאל על ידי זרבובית באמצעות יניקת ואקום וממוקם במיקום ספציפי במערך מחטים מימין. תהליך זה חוזר על עצמו עד להשלמת תהליך ההדפסה הביולוגית בתלת מימד. עד שכל הספרואידים וצלחת 96 הבארות יודפסו ביולוגית, אז המדפסת הביולוגית התלת מימדית תאחסן את צלחת 96 הבאר היוצאת ותטען צלחת חדשה, באמצעות הפלטפורמה הנעה.
זהו סרטון זמן-lapse המציג מבט אווירי על הדפסה ביולוגית תלת מימדית של טלאי תשע על תשע במהירות של פי 100, המחטים במערך המחטים מסודרות במבנה קבוצתי וספרואידים נטענים על כל מחט מלמעלה. לאחר שלושה ימים בתנאים סטריליים, מדבקת הלב של המדפסת הביולוגית התלת מימדית מוסרת בזהירות רבה ממערך המחטים על ידי החלקה עדינה של פיסת הפלסטיק הקשיח במערך המחטים מתחת למדבקה כלפי מעלה. שימון עם מי מלח חוצץ פוספט או PBS, ניתן למרוח על המחטים בשלב זה לפי הצורך, להסרה חלקה וקלה יותר.
מדבקת הלב המודפסת בתלת מימד שבירה מאוד, מיד לאחר הוצאתו ממערך המחטים, ולכן יש לנקוט בזהירות הראויה על מנת לא לפגוע בה. לאחר מכן, מדבקת הלב המודפסת ביולוגית בתלת מימד מועברת לתוך צלחת תרבית רקמה בגודל 35 מילימטר המכילה מדיה תאית מתאימה. מיד לאחר הוצאתו ממערך המחטים, מצוין כי התיקון כבר פועם, כאשר חורי המחט משתנים בגודלם עם כל פעימה.
מדבקת הלב המודפסת ביולוגית בתלת מימד מותרת להתבגר, ובמהלכו חללי הרקמה הנגרמים על ידי מערך המחטים מתמלאים על ידי הרקמה הסובבת. מדבקת הלב בהדפסה ביולוגית תלת מימדית ממשיכה לפעום באופן ספונטני. לסיכום, ניתן להדפיס ביולוגית בתלת מימד רקמת לב ללא שימוש בביו-חומרים.
מדבקות לב מודפסות בתלת מימד מציגות אינטגרציה מכנית של רכיב spheroids. 3D הדפסה ביולוגית של רקמת לב יש יישומים קליניים מבטיחים והתחדשות רקמת לב ויש לה מודלים תלת מימדיים של רקמת לב, שכפול בפרמקולוגיה חזויה וטוקסיקולוגיה ופיתוח טיפולים מכווני תאים וגנום.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מתאר הדפסה ביו-תלת-ממדית של רקמת לב תוך שימוש בתאים בלבד, ללא חומרים ביו-סינתטיים. טלאי הלב המתקבלים מדגימים אינטגרציה מכנית ומראים פוטנציאל עבור רגנרציה של רקמת לב וכמודלים למחלות לב.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- ביודפוס תלת-ממדי
- הנדסת רקמות לב
- רפואה רגנרטיבית
רקע
- הסבנרגנציה של רקמת הלב חיונית לטיפול במחלות לב.
- שיטות מסורתיות מסתמכות לעיתים קרובות על ביו-חומרים, אשר עלולים להגביל את השילוב.
- שימוש בתאים בלבד עשוי לשפר את התפקודיות של רקמות המודפסות בביו-הדפסה.
- הבנת האינטראקציות בין התאים היא המפתח להנדסת רקמות מוצלחת.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה להדפסה ביו-דו-ממדית (3D) של רקמת לב ללא שימוש בביומטריאלים.
- הערכת האינטגרציה המכנית של טלאי לב שהודפסו בביו-הדפסה.
- יצירת מודל למחקר של מחלות לב.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- בידוד וספירה של קרדיומיוציטים, תאים אנדותליאליים ופיברובלסטים.
- ערבוב תאים ביחסים הרצויים וחלוקתם לפלטות 96 בארות בעלות הידבקות נמוכה במיוחד (ultra-low attachment).
- אינקובציה של תאים ליצירת ספרואידים הפועים באופן ספונטני.
- מיקרוסקופיה קונפוקאלית להערכת ביטוי תאי ושילוב תאי.
תוצאות עיקריות
- ספרואידים שנוצרו מתערובת תאים הפגינו פעימות ספונטניות.
- מיקרוסקופיה קונפוקלית אישרה את הביטוי של חלבוני מפתח בתאי שריר לב (cardiomyocytes).
- המדפסת הביולוגית התלת-ממדית שילבה בהצלחה את הספרואידים לתוך טלאי לבביים.
- הודגמה אינטגרציה מכנית של הטלאים.
מסקנות
- הדפסת ביו-תלת-ממד ללא חומרי ביומטריים היא ישימה ואפקטיבית.
- הגישה מראה פוטנציאל לרגנרציה של רקמת לב.
- שיטה זו יכולה לשמש כמודל בעל ערך למחקר של מחלות לב.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
שיטה זו מאפשרת הדפסה ביו-תלת-ממדית של רקמה לבבית תפקודית ללא שימוש בחומרי ביו-מטריאל, ומציעה גישה ניתנת להרחבה ליצירת טלאי רקמה משולבים מבחינה מכנית עבור מודלים פרה-קליניים של מחלות ורפואה רגנרטיבית. על ידי שימוש בתאים בלבד, השיטה מפחיתה שונות הנובעת מפיגומים (scaffolds) חיצוניים ומשפרת את הרלוונטיות הפיזיולוגית בבדיקות של תגובה לתרופות ובדיקות רעילות. הטלאים המתקבלים, הפועים באופן ספונטני, תומכים באימות מטרות בשלבים מוקדמים ובצמצום סיכונים מכניסטיים בתהליכי גילוי בתחום קרדיו-וסקולרי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של אינטראקציות רב-תאיות בהיווצרות ובתפקוד של רקמת לב.
- ערך תפעולי: מספק פלטפורמה ניתנת לשחזור להערכת השפעות של תרכובות על רשתות משולבות של קרדיומיוציטים, תאי אנדותל ופיברובלסטים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: יצירת ספרואידים לבביים פועמים המתמזגים לטלאים משולבות מכנית, המאפשרים קריאות תפקודיות של כושר התכווצות.
- ערך תפעולי: תמיכה בסטנדרטיזציה של ארכיטקטורת הרקמה באמצעות מיקום מדויק של ספרואידים באמצעות הדפסה ביונית, מה שמשפר את עקביות הבדיקה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: יצירת מודלים תלת-ממדיים של רקמת לב הרלוונטיים למחלה, לצורך חקר פתופיזיולוגיה ותגובה טיפולית.
- ערך תפעולי: מאפשר הבשלה של טלאים הודפסיים בתרבית, ובכך תומך בהערכה ארוכה של אינטגרציית הרקמה ויציבותה.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
תהליך העבודה מציב את יצירת הספרואידים ואת ההדפסה הביולוגית כגשר בין שלבי הגילוי המוקדמים לבין התיקוף הפרה-קליני, ובכך מאפשר יצירת רקמות לב מורכבות לצורך הערכה תפקודית בהמשך התהליך.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות על אינטראקציות בין תאים ואינטגרציה מכנית ברמת הרקמה במערכת רב-תאית מוגדרת.
- סריקה: מספק טלאי לב פועמים סטנדרטיים בעלי פעילות התכווצות מדידה לצורך סריקת תרכובות.
- אנליטיקה: מאפשר מדידה של פעימות ספונטניות ואינטגרציה מבנית באמצעות דימיון וקריאות תפקודיות.
- מחקר תרגומי: מספק רצף מיצירת ספרואידים ועד לטלאי רקמה בוגרים, המדמים עיצוב מחדש של רקמות הקשור להתפתחות ולמחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס תהליך ביו-הדפסה ניתן לשימוש חוזר ליצירת מודלים של רקמת לב עבור מספר מטרות ואינדיקציות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי מידול מכניקה של רקמת לב דמוית-טבעית ואינטגרציה תאית.
- ערך תפעולי: מבטל שונות הקשורה לחומרי ביו-מטריאל, ובכך משפר את השחזוריות בין ניסויים ואתרים שונים.
- ערך אסטרטגי: מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים על ידי מתן אפשרות לגילוי מוקדם של השפעות קרדיוטוקסיות או טיפוליות במערכת רלוונטית לבני אדם.
- השפעה על הפורטפוליו: מסייע בקבלת החלטות מותאמות-סיכון בתוכניות קרדיווסקולריות באמצעות שיפור נאמנות המודל ויכולת התרגום של הנתונים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבידוד תאים ראשוניים, תרבית ספרואידים ותפעול מדפסת ביו-דו-ממדית (3D bioprinter).
- תלוי בגישה למדפסת ביו עם יכולת יניקה בוואקום ומערכי מחטים תואמים.
- מחייב יחסי ערבוב תאים סטנדרטיים ופלטות בעלות הידבקות נמוכה במיוחד (ultra-low attachment) להשגת יצירת ספרואידים עקבית.
- כולל אופטימיזציה של זמן הבשלה ותנאי מצע לצורך פיתוח רקמה תפקודית.
- מוגבל על ידי קנה המידה הנוכחי של הטלאים המודפסים בביו-הדפסה והצורך בטיפול זהיר לאחר ההדפסה בשל שבירותם.
