קובץ להדפסת אוזן מותאמת אישית

מתעורר לחיים בזמזום. המתקן אינו מלא בקפה טחון טרי וריחני, אלא במקום זה, בכפיות מלאות של חומר צמיגי אטום וסטרילי. הזרוע הרובוטית שלו נעה במהירות: היא מרחפת, מנמיכה גובה ואז ממקמת מחדש זוג מזרקים מעל שש צלחות פטרי. בפרצים קצרים ומהירים, הם משחררים משחה חלבית. עד מהרה, נוצרים שלושה משושים בכל צלחת. לאחר מספר דקות, המשושים גדלים למבנים דמויי חלת דבש בגודל ציפורן אצבע. אף אחד כאן לא הולך לקבל כוס קפה הפוך בזמן הקרוב.

אוזן מודפסת, אוניברסיטת קורנל. צילום: מדע פופולארי

אוזן מודפסת, אוניברסיטת קורנל. צילום: מדע פופולארי

הכתבה פורסמה לראשונה במגזין Popular Science ישראל בגיליון 232 שראה אור באוגוסט 2013 ונכתבה במקור על ידי טום פוסטר.

"חלות הדבש הן כבדים אנושיים", אומרת שרון פרסנל, קצינת טכנולוגיה ראשית ב-Organovo – "או לפחות היסודות של כבדים". יצירות מופת הזעירות של ההנדסה הביו-רפואית כמעט זהות לדגימות רקמה מכבדי אדם אמיתיים, והן בנויות מתאים אנושיים ממשיים. אבל במקום לגדל אותן, מדפיסים אותן המדענים במשרד הראשי המבריק המשרע על פני 1,400 מ"ר של Organovo, בדיוק כפי שהיו מדפיסים מסמך. או, ליתר דיוק, בדיוק כפי שהם היו מדפיסים דגם בקנה מידה מוקטן.

בשני עשורים, צמחה הדפסת התלת מימד מתהליך ייצור נישתי לתעשייה של 2.7 מיליארד דולר, האחראית לייצור כל מיני דברים: צעצועים, שעוני יד, חלקי מטוסים ומזון. כעת מדענים עובדים ליישם טכנולוגיית הדפסת 3D דומה לתחום הרפואה, ומאיצים שינוי דרמתי באותה מידה. אבל זה שונה וקל בהרבה להדפיס עם פלסטיק, מתכת או שוקולד מלהדפיס תאים חיים.

המשאבים והכסף הולכים להדפסה ביולוגית

"זה היה תהליך מייגע מהרבה בחינות, אבל אנחנו נמצאים בנקודת המפנה", אומר דין קיימן, מייסד DEKA מחקר ופיתוח, המחזיקה יותר מ-440 פטנטים, רבים מהם למכשירים רפואיים. במעבדות ברחבי העולם, התחילו מהנדסים ביולוגיים להדפיס חלקי גוף ניסיוניים: שסתומי לב, אוזניים, עצמות, מפרקים, סחוס מלאכותיים, ושתלי עור. "אם יש לך מצפן וקו מנחה ישר, כל מה שאתה מצייר הוא קופסה או עיגול", אומר קיימן. "כשאתה מקבל כלים טובים יותר, אתה מתחיל לחשוב בדרכים אחרות. יש לנו כעת את היכולת לשחק ברמה שלא יכולנו לשחק בה בעבר".

מ-2008 עד 2011 מספר המאמרים המדעיים המתייחסים להדפסה ביולוגית כמעט שילש את עצמו. השקעה כספית בתחום זינקה אף היא. מאז 2007 מכון הלב, הריאות והדם הלאומי של מכוני הבריאות הלאומיים העניק 600,000$ במענקים לפרויקטים של הדפסה ביולוגית. בשנה שעברה Organovo גייסה 24.7 מיליון דולר בהון בעלים.

שלושה גורמים מניעים את המגמה: מדפסות מתוחכמות יותר, התפתחויות ברפואה רגנטטיבית ותוכנת CAD משופרת. על מנת להדפיס את רקמת הכבד ב-Organovo, ויוויאן גורגן, מהנדסת מערכות בת 25, פשוט הייתה צריכה ללחוץ על פקודת "הפעל תוכנה" עם העכבר. רקמת כבד בצורת חלת דבש נמצאת עדיין במרחק רב מאיבר שפועל במלואו, אבל זהו צעד מוחשי בכיוון הזה. "אני מאמינה שאזכה להגיע ולראות בחיי איבר מלא שיושב בקופסה ומוכן להשתלה והפעלה", אומרת פרסנל. "אני לא יכולה לחכות לראות מה אנשים כמו ויוויאן יעשו. הפוטנציאל הוא פשוא אדיר".

בתמונה: הדפסת חלק מכליה במכון ווייק פורסט לרפואה. צילום: מדע פופולארי

בתמונה: הדפסת חלק מכליה במכון ווייק פורסט לרפואה. צילום: מדע פופולארי

המדפסות הביולוגיות הראשונות לא היו יקרות או מהודרות. הן הזכירו מדפסות שולחן זולות מכיוון שהלכה למעשה, זה מה שהן היו. בשנת 2000, קלט בעיניו תומאס בולאנד, מהנדס לביולוגיה, 'אבי ההדפסה הביולוגית' כפי שהוא מגדיר עצמו, מדפסת Lexmark ישנה במעבדה שלו באוניברסיטת קלמסון. מדענים כבר שדרגו אז מדפסות הזרקת דיו כדי להדפיס מקטעי DNA, על מנת לחקור ביטויים גנטיים. "אם מדפסת ישנה יכולה להדפיס גנים", חשב בולאנד, "אולי אותה חומרה תוכל להדפיס ביו-חומרים אחרים. הרי ככלות הכל, התאים האנושיים הקטנים ביותר הם בוגדל 10 מיקרומטר, בערך בממדים של טיפות דיו סטנדרטיות.
בולאנד רוקן את מחסנית הדיו של ה-Lexmark ומילא אותה בקולאגן. הוא אז הדביק שכבת סיליקון שחורה דקה על דף נייר חלק והכניס אותה למדפסת. הוא פתח מסמך וורד על מחשב ה-PC שלו, הקליד את ראשי התיבות שלו, ולחץ על הדפס. הנייר יצא עם "TB" מודפס בצורה ברורה, משורטט בחלבונים בצבע אוף-ווייט.

עד 2000 קבעו בולאנד וצוותו מחדש את הקונפיגורציה של מדפסת הזרקת דיו 550C של Hewlett-Packard כדי להדפיס באמצעות חיידקי E. coli. אז הם עברו לתאי יונקים גדולים יותר, שנקצרו מאוגרים וחולדות מעבדה בסין. אחרי ההדפסה, 90 אחוז מהתאים נשארו ברי קיימא, ופירוש הדבר היה שהמוצר שימושי, לא רק אמנותי. ב-2003 הגיש בולאנד בקשה לרישום הפטנט הראשון להדפסת תאים.

מנייר למעלית נעה

בעוד המעבדה של בולאנד עובדת על פתרון בעיית ההדפסה הביולוגית,יישמו מהנדסים אחרים מדפסות תלת מימד באתגרים רפואיים שונים. הם הדפיסו שתלי עצם מקרמיקה, כתרי שיניים מפורצלן, מכשירי שמיעה מאקריליק ופרוטזות מפולימר. אבל למהנדסים האלה היה יתרון שלבולאנד ולעמיתיו לא היה: הם יכלו להדפיס בשלושה ממדים במקום בשניים בלבד.

לכן התאימו בולאנד ופורצי דרך אחרים בהדפסה ביולוגית את המדפסות שלהם. הם ניטרלו את מנגנוני הזנת הנייר במדפסות הזרקת הדיו שלהם והוסיפו פלטפורמה דמויית מעלית הנשלטת על ידי מנועי צעד; הפלטפורמה יכלה לנוע למעלה או למטה לאורך ציר z. מעבדות יכלו להדפיס שכבה אחת של תאים, להנמיך את הפלטפורמה, ולהדפיס שכבה נוספת. לפתע, עברו המהנדסים הביולוגיים מציור חיים על קנבס שטוח לבניית פסלים חיים.

"זה היה כמו קסם", אומר ג'יימס יו, חוקר במכון ווייק פורסט לרפואה רגנרטיבית שפיתח מדפסת ניידת כדי לבצע ישירות השתלות עור בקורבנות כוויות. היכולת להדפיס תאים בשלושה ממדים פתחה את הדלת ליישומים חדשים. "כל פצע הוא שונה; העומק שונה; והם מאוד בלתי סדירים", אומר יו. "על ידי מיפוי האזור, אתה יכול לקבוע כמה שכבות תאים דרושות לרקמה תת-עורית, כמו גם לאזור האפיתלי. היתרון של המדפסת הוא שאתה יכול לספק תאים בצורה מדויקת יותר".

מדענים יכלו גם להדפיס עם סוגי "דיו" רבים. מהנדס קורנל הוד ליפסון, סופר-שותף של Fabricated: The New World of 3D Printing, יצר אב-טיפוס של סוג רקמה נוסף: סחוס. "השליטה המרחבית על מיקום התאים מעולם לא היה אפשרי במידה כמו עכשיו", הוא אומר. "זה פותח ממדים מרובים של אפשרויות". ליפסון ועמיתיו החליטו להדפיס מניסקוס, חתיכת סחוס בצורת סהרון שמרפדת את הברך ומפרקים אחרים. הצוות השתמש בסריקות CT כדי ליצור קובץ CAD של מניסקוס של כבשה ומיצו תאים מהכבשה כדי להדפיס אחד זהה.

על אף שהמניסקוס הראשון של ליפסון נראה מבטיח, כשהוא הראה אותו למנתחים העוסקים בהחלפת ברכיים, הם קבעו שהוא חלש מכדי שיוכל לעמוד בשגרת ההתעללות של הגוף. "כמעין זר שנכנס [לביולוגיה]. הרושם שלי היה 'בסדר, אני הולך לשים את התאים במקום הנכון, אשמור עליהם באינקובציה למשך פרק זמן, ויהיה לנו את המניסקוס שלנו'", אומר ליפסון. "דרוש יותר כדי לייצר מניסקוס מאשר למקם את התאים שם. מניסקוס אמיתי עובר למעשה מכות קשות בכל יום, כל הזמן, והוא מקבל צורה ונהיה קשיח. לכן המכות שהוא חוטף בסביבה שלו הם למעשה חלק אינטגרלי מאוד של הצמיחה שלו".

מדפסת שיכולה למקם את הדיו הנכון, במילים אחרות, היא רק הצעד הראשון. לתאים יש דרישות ספציפיות, תלוי ברקמה שהם מיועדים להפוך להיות. במקרה של המניסקוס, פירוש הדבר עשוי להיות פיתוח כור ביולוגי שיכול לשחזר את המכות או להשתמש בחום, אור או פולסים של גלי קול על מנת לגרום לרקמה לקבל בלחץ את צורתה. "ברקמות מסויימות, אפילו פשוטות, אנחנו לא יודעים אפילו מה בדיוק דרוש כדי לגרום לרקמה להתנהג כמו רקמה אמיתית", אומר ליפסון. "אתה יכול למקם יחד את התאים של רקמת לב במקום הנכון, אבל היכן כפתור ההפעלה?״.

תמונה: הדפסת כלי דם, אוניברסיטת פינסילבניה ו-MIT. צילום: מדע פופולארי

תמונה: הדפסת כלי דם, אוניברסיטת פינסילבניה ו-MIT. צילום: מדע פופולארי

רוב האיברים הם מבנים מתוחכמים ביותר בעלי עשרות סוגי תאים ומערכות כלי דם שהתפתחו לבצע תפקידים ספציפיים מאוד. הכבד לבדו מבצע יותר מ-500 פונקציות. כמו מכונות, הגוף מתבלה ומתפרק לאורך זמן, לפעמים באופן בלתי צפוי. אפילו כשהשתלות אפשריות, איברים תרומים לא יכולים לעמוד בדרישה. לכן בעוד מהנדסי מכונות התחילו לבנות את מדפסות ה-3D המוקדמות, ניסו מהנדסי רקמות לגדל איברים חלופיים במעבדה.

הם התחילו על ידי הזלפה ידנית של תאים באמצעות פיפטות אל תוך צלחות פטרי. אז, בהובלת אנת'וני אטלה ממכון ווייק פורסט לרפואה רגנרטיבית, התחילו החוקרים לזרוע את התאים האלה על פיגומים מלאכותיים. עשויים מפולימרים או קולאגן המתפרקים ביולוגית, הפיגומים מספקים רשת זמנית אליה תאים יכולים להיצמד עד שהם חזקים מספיק כדי לעמוד לבדם. המערכת פעלה בצורה נפלאה: אטלה השתיל בהצלחה את האיברים הראשונים שגודלו במעבדה – שלפוחיות שתן – בשבעה מטופלים בבית החולים לילדים בבוסטון בין 1999 ל-2001.

האתגר: המון תאים שונים לאיבר בודד

עד מהרה התאימו חוקרים מדפסות 3D לייצור פיגומים באופן מדויק יותר. אבל תהליך המיקום הידני של התאים נותר ארוך ומייגע. ניתן לייצר שלפוחיות שתן מודפסות באמצעות שני סוגי תאים בלבד; כליות, למשל, מכילות 30 סוגים. "כשאתה מנסה להנדס רקמות מורכבות יותר, אין דרך בה תוכל למקם באופן ידני סוגי תאים שונים אל תוך מיקומים שונים באופן שישחזר את מבני הרקמות הטבעיים", אומר יו. "ידיים אינם השיטה האופטימלית למיקום תאים".

בווייק פורסט בנו הצוותים של יו ואטלה מדפסות ביולוגיות מותאמות, שהן מהירות ממדפסות הזרקת דיו מותאמות, והן יכולות להדפיס סוגי תאים רבים נוספים – כולל תאי גזע, תאי שריר ותאי כלי דם. הם גם תכננו מדפסת אחת ליצור במכה אחת גם את הפיגום המלאכותי וגם את הרקמה; כיום הם משתמשים בה כדי לייצר אוזניים, אפים ועצמות מורכבות.

פיגומים מספקים לרקמות יציבות מכנית, ואפשר גם להשתמש בהם כדי למקם גנים וגורמי גדילה בתאים מתפתחים. אבל, כמו במקרה של פולימרים, הם מכניסים אל תוך הגוף חומרים זרים העלולים לגרום לדלקות. סוגים שונים של תאים גם מגיבים בצורות שונות לחומרי פיגומים, ולכן ככל שהאיבר מורכב יותר, כך עבודת המסגרת הדרושה מורכבת יותר – וכך גם קשה יותר לצפות כיצד התאים יהגרו לסביבה חדשה. כתוצאה מכך, לא כולם מאמינים שהפיגומים בכלל דרושים, כולל גאבור פורג'אקס, המייסד-השותף של Organovo ופיזיקאי ביולוגי באוניברסיטת מיזורי.

התכנית של פורג'אק היא להדפיס איבר המורכב לחלוטין מרקמה אנושית חיה ולאפשר לו להרכיב את עצמו. "הקסם", הוא אומר, "מתרחש אחרי שההדפסה התרחשה". פה טמונה התפיסה המוטעית ביותר לגבי הדפסה ביולוגית: מה שרוב האנשים חושבים עליו כעל מוצר מוגמר – החומר התאי שהודפס זה עתה – אינה מוגמר בכלל.

תמונה: מדע פופולארי

תמונה: מדע פופולארי

במיזורי, למד פורג'אקס מורפוגנזיס, התהליך שקובע כיצד תאים יוצרים איברים במהלך ההתפתחות העוברית. על ידי ארגון צברים תאיים – ספירות זעירות המכילות אלפי תאים – במעגל, המעבדה שלו יכולה להתבונן בהם מתאחדים ויוצרים מבנים חדשים. הצברים מממשים את זה על ידי עבודה משותפת. מולקולה של תא אחד גורמת לקולטן חלבון בקרום התא לשנות צורה, ולעטות את עצמו על השלד החיצוני של תא שני. מפל של תקשורת מתרחש בעקבות זה, המגיע בסופו של דבר אל הגרעין ומעורר שינוי בביטוי הגנטי.

מענק מקרן המדע הלאומית של ארצות הברית איפשר לפורג'אקס ולציוותו לבצע ניסויים במדפסות ביולוגיות במקום להניח את הצברים ביד, והטכנולוגיה שינתה לחלוטין את המחקר שלהם. "מה שלקח לנו ימים, יכולנו לעשות באולי שתי דקות", הוא אומר. באמצעות מדפסת ביולוגית, פורג'אקס הוכיח שצברים המכילים סוגים שונים של תאים גם מתחברים יחד, בלי התערבות אנושית או אותות סביבתיים.

מהנדסי רקמות לא צריכים למקם תאים היכן שהם יהיו באיבר המוגמר, אומר פורג'אקס; הם צריכים לסדר את התאים בהתבסס על היכן הם צריכים להיות על מנת להתחיל ליצור איבר, כפי שקורה בעובר. "התאים יודעים מה לעשות כי הם עושים את זה מיליוני שנים. הם למדו את חוקי המשחק במהלך האבולוציה".

מפתח נוסף נמצא בהדפסת צברי תאים. "לעולם לא תבנה מבנה ביולוגי מורחב, איבר גדול או רקמה, על ידי הנחת תאים אינדיבידואליים", אומר פורג'אקס. "רקמה מאורגנת בצורה מאוד יעילה, על פי חוקים נוקשים, במערכים תאיים. צבר של חצי מ"מ הוא כבר חתיכה קטנה של רקמה. החלקים האלה מתחברים יחדיו ומחליפים ביניהם מידע".

המכשול: הדפסת איברים קטנטנים כמו נימים

מבחינה טכנולוגית, כבר אפשרי לבנות רקמות על ידי הערמת ערימות של תאים לאורך ציר ה-z. למעשה, עשו את זה מדענים ב-Organovo עם תאי לב; כשהם התחברו, הם פעמו ביחד, בדיוק כמו לב. אבל מבחינה ביולוגית, עדיין קיים מכשול משמעותי: הם צריכים לשגשג. איבר דורש רשתות של כלי דם כדי לפזר בו חומרים מזינים וחמצן. בלי פונקציית הליבה הזאת, התאים יקמלו וימותו.

החוקרים של Organovo יצרו כלי דם איתנים למדיי על ידי הדפסת חומר מילוי, כמו הידרוג'ל, בין צינוריות של תאי רקמה. את המילוי ניתן להוציא בשלב מאוחר יותר, ולהותיר ערוצים ריקים שישמשו ככלי דם. איברהים אוזבולאט, מהנדס מכונות באוניברסיטת איווה, פיתח אף הוא מדפסת ביולוגית, אשר משתמשת בזרועות מרובות הנעות בתיאום, כדי למקם רשת כלי דם וצברי תאים בו זמנית.

"האתגר הגדול ", אומר אוזבולאט, "יהיה ליצור נימים קטנים מאוד" – הנימים מחברים את כלי הדם הגדולים יותר לתאים. הוא צופה שהוא יאבק בנושא בעוד שנתיים. מרגע שחוקרים יצליחו להגדיל את קנה המידה והמורכבות של מערכת כלי דם, מעבר מיצירת חלקים ביולוגיים לאיברים מלאים מודפסים יהפוך לעניין של זמן.

השחקן ברוס וויליס צופה במבקרים מצידה של מכונה בחדר נקי בגודל 1,400 מ"ר ב-Organovo. כמה מעשרת המדפסות הביולוגיות של החברה זכו ותויגו בשמות של דמויות מסרט המדע הבידיוני משנת 1997 האלמנט החמישי. מספר צעדים מה"דלאס" של וויליס, מעבר לחצי תריסר מדגרות בגודל מקרר, יושבות המדפסות הביולוגיות "רובי" ו"זורג", מקושטות בתמונות של כריס טאקר וגארי אולדמן, בהתאמה.

בסרט, המתרחש במאה ה-23, תא אוטומטי בעל שתי זרועות רובוטיות משתמש בתאים מיד אנושית קטועה כדי להדפיס ולהחיות אישה שלמה. המדע נמצא במרחק גדול מלבצע משהו קרוב אפילו להישג הזה – והוא עלול לעולם לא להגיע לשם. אבל ציון דרך משמעותי היה לפתח כלים מתקדמים מספיק כדי למדל ולבנות מבחינה חזותית את התהליך כולו.

מה שחסר עד כה למדפסות ביולוגיות – ומה שיאפשר את גל פריצות הדרך הבא של התחום – הוא תוכנה מתוחכמת מבחינה ביולוגית. עם חפץ דומם כמו כוס קפה, סורק 3D יכול ליצור קובץ CAD בתוך דקות ולהעלות את העיצוב למדפסת 3D. אין מקבילה רפואית לכך.

"MRI לא אומר לי היכן נמצאים התאים", אומר ליפסון. "אנחנו פשוט נמצאים באפלה מוחלטת מבחינת תוכניות האב. זה חצי מהפאזל. גם אין פוטושופ – אין כלים להזיז את התאים סביב. זה לא מקרי. זה מעבר למה שרוב תוכנות המחשב יכולות להתמודד איתו. אין לך מודל תוכנה של כבד. זה מורכב יותר ממודל של מטוס סילון.

זיהתה את הפוטנציאל: Autodesk

כש-Autodesk הריחה הזדמנות, היא התחילה לעבוד בשיתוף פעולה עם Organovo כדי לפתח תוכנות CAD שניתן יהיה ליישם על הדפסה ביולוגית. "לתחומים שאנחנו חוקרים לא תמיד יש טיעון עסקי מיידי, אבל עשוי להיות להם בשנים הבאות", אומר קרלוס אולגווין, מנהל קבוצת חומרי הביולוגיה/ננו הניתנים לתכנות של Autodesk. "אם זה המצב, אנחנו רוצים להיות מוכנים
לא רק לחקור אלא גם לספק את הדרישה".

כצעד ראשון Autodesk מתכננת ליצור מעטפת CAD מודרנית מבוססת ענן כדי לסייע לייעל את תהליך העיצוב. בשלב הסופי, מטרתה לשלב את המתמטיקה שמתארת הרכבה עצמית ותהליכים תאיים אחרים בתוכנת הדפסה ביולוגית. באפריל שיחרר ציוותו של אולגווין את Project Cyborg, פלטפורמה מבוססת רשת המכוונת למידול מולקולרי בקנה מידה ננו-מטרי וסימולציות של ביולוגיה תאית. בסופו של דבר, חוקרים רוצים להיות מסוגלים לעצב צברים תאיים באופן דיגיטלי, ללחוץ על "אנטר", ולדמות, בתוך שניות, כיצד המבנה ישתנה ויתפתח לרקמה חיה גמורה.

"בטווח הקצר מאוד, אנחנו הולכים להפחית באופן דרמתי את הזמן שייקח להם לבצע הדפסה ביולוגית", אומר אולגווין. "אבל בטווח הבינוני, על ידי כך שנחסוך מהם את העבודה המייגעת בצורה מדהימה של יצירת הצורות הבסיסיות ביותר, אנחנו מקווים שהם יוכלו להתמקד בשימושים מעניינים יותר".

בתמונה: Novogen MMX. המדפסת הביולוגית המסחרית הראשונה שפותחה על ידי Organovoף מציירת רקמות כבד פונקציונאליות שיסייעו בקרוב לביוכימאים לבחון תרופות חדשות. צילום: מדע פופולארי

בתמונה: Novogen MMX. המדפסת הביולוגית המסחרית הראשונה שפותחה על ידי Organovoף מציירת רקמות כבד פונקציונאליות שיסייעו בקרוב לביוכימאים לבחון תרופות חדשות. צילום: מדע פופולארי

המוצר הביולוגי הראשון של Organovo יהיה רקמת כבד לצורך ניסויי תרופות. בכל שנה, התעשייה הרפואית מוציאה יותר מ-39 מיליארד דולר על מחקר ופיתוח. על פי מנהל המזון והתרופות, רעילות לכבד היא הסיבה הנפוצה ביותר לפסילת תרופה בניסויים קליניים – כמו גם להוצאתה מהשוק לאחר שהיא אושרה. עדיין אין דרך אמינה להעריך כיצד תשפיע תרופה על הכבד האנושי לפני שהיא מגיעה לקיבה – אפילו לא בניסויים על בעלי חיים.

"ישנם כמה הבדלים משמעותיים בין בעלי חיים כמו חולדות ובין בני אדם", אומר פרסנל של Organovo. "אז אתה יכול לקבל תשובה נפלאה מחולדה שאומרת, 'כן, תמשיכו הלאה!', ובמציאות, בבן אדם, זה לא היה עובר טוב".

בסטנפורד, ניסו חוקרים לעקוף את הבעיה הזאת על ידי הרבעת עכברים עם כבדים הבנויים בעיקרם מתאים אנושיים. מחקר שפורסם באוקטובר הראה שהעכברים חזו כמה טוב תרופה לטיפול בהפטיטיס C תתקבל על ידי בני אדם. מדענים ב-MIT בנו מודלים מיניאטוריים של כבדים באמצעות מיקרו-תבניות (micropatterning), אותה שיטה ליתוגרפית המשמשת להחדרת חוטי נחושת לשבבי מחשב. הבעיה, אומר פרסנל, היא שמבנים הנבנים באמצעות מיקרו-תבניות הם בדרך כלל בעובי כמה שכבות תאים בלבד, עובדה המגבילה את המורכבות של שאלות שחוקרים יכולים לשאול ולענות עליהן.

למכירה: תאים מודפסים

בשנה הבאה, תתחיל Organovo למכור את תבחיני הכבד שלה – צלחת דמויית צלחת פטרי המכילה תאי כבד המסודרים במבנה תלת-ממדי בעובי 200 עד 500 מיקרונים (פי שניים עד חמישה מהעובי של שערה אנושית). השוק הפוטנציאלי הוא אדיר. כל תרופה הנלקחת דרך הפה, בין אם מדובר במשכך כאבים, תרופה נגד דלקת או תרופת סרטן חדשה, חייבת לעבור מבחן רעילות לכבד.
"אנשים בדרך כלל עושים מבחן תגובה, מטהרים את הכימיקלים, לוקחים את התרופה, מוסיפים אותה לתאים, מסתכלים על התגובה, מנסחים מחדש; מבצעים לפעמים ניסויים בבעלי חיים, ואז עוברים לבני אדם", אומר לי קרונין, כימאי מאוניברסיטת גלסגו ומדען ננוטכנולוגיה שמפתח מדפסת 3-D לייצור תרופות באמצעות דיו כימי. "במקום להדפיס מבחנה מפלסטיק כדי לבצע בה את הכימיה, בו נאמר שעכשיו נדפיס את המבחנה שלנו מרקמה, ונעשה את הכימיה בתוך הרקמה ונתבונן בתגובה בזמן אמת. זה המקום בו העניינים נעשים באמת מעניינים".

אם תבחיני הדפסה ביולוגית יספקו לחוקרים רפואיים נתונים טובים ומהירים יותר, יואץ תהליך גילוי התרופות כולו. יתרה מכך, הם יוכלו להפחית את הצורך בניסויים נרחבים בבעלי חיים.

המטרה של אוזבולאט באוניברסיטת איווה, היא להדפיס רקמת לבלב לטיפול. היא תהיה מורכבת מתאים אנדוקרינים המסוגלים לייצר אינסולין בלבד. לאחר שתושתל בבני אדם, רקמה שכזאת תוכל לווסת רמות סוכר ולטפל בסוכרת מסוג 1, הוא אומר.
מדפסות ביולוגיות יוכלו גם להיות יקרות ערך לבתי ספר לרפואה. סטודנטים מתאמנים כיום על גופות, אבל כשמגיע הזמן לבצע הליכים כמו הוצאת גידול סרטני, שום דבר לא משתווה לניסיון האמיתי. במקום להדפיס רקמות בריאות, מדפסות ביולוגיות יוכלו לבנות איברים עם גידולים או פגמים אחרים כדי שמנתחים יוכלו להתאמן לפני שהם נכנסים לחדר הניתוח.

איברים שלמים ברי השתלה שפועלים כראוי יהיו האתגר האולטימטיבי, אבל גם, בטווח הארוך, ישנו חיים בצורה המשמעותית ביותר. בארצות הברית, יותר מ-118,000 איש נמצאים כעת ברשימת ההמתנה הלאומית לתרומת איברים, אשר גדלה ב-300 בכל חודש. זה לא רק עניין של ביקוש והיצע. הסיכויים למצוא התאמה טובה הם נמוכים. הדפסה ביולוגית של איברים מגופו עצמו של מטופל תוכל בסופו של דבר להפיק התאמות מושלמות כרצוננו.

אולי, אומרים מדענים, מדפסות ביולוגיות יוכלו אפילו לאפשר איברים ביוניים – חלקי גוף שלא רק משיבים, אלא מרחיבים את היכולת האנושית. למטרה זו, חוקרים באוניברסיטת פרינסטון מבצעים ניסויים בשילוב אלקטרוניקה והדפסה ביולוגית. מוקדם יותר השנה, הם יצרו רשת של הידרוג'ל ותאי בקר בצורה של אוזן, ושילבו בה ננו-חלקיקי כסף כדי ליצור אנטנת סליל. המערכת תוכל לקלוט תדרי רדיו מעבר לטווח השמיעה האנושית. באופן דומה, מהנדסים ביולוגיים עשויים בבוא היום לשלב חיישנים ברקמות אחרות – לדוגמה, ליצור מניסקוס ביוני שיכול לנטר מאמץ.

מדפסות ביולוגיות כבר מציגות את השליטה המרשימה של מדענים בביולוגיה והנדסה. חזרה ב-Organovo, בתוך חדר נקי מואר באורות נאון, שאינו יוצא דופן פרט לכך ש"דלאס" מארגן בו תאים אנושיים בתבניות מורכבות שמשקפות את אלה של הטבע. בשביל חוקרים צעירים כמו ויוויאן גורגן, זה לא מרשים במיוחד. המכונה הפכה לכלי עבודה נוסף מבין רבים – אחד שמסייע לבנות רקמות בצורה מדוייקת יותר. מדפסת יכולה למקם את כל החלקים האנושיים במקומות הנכונים. אבל, כפי שפורג'אקס ממשיך לתהות, מדוע החלקים האלה עושים את מה שהם עושים? רק החיים עצמם יודעים. לפחות, בשלב זה.

סטיבן לקהארט הוא כתב ב-Pop-Up Magazine, אשר מיוצר ומבוצע לפני קהל חי.


אוהבים מדע ולא מקבלים מספיק ממנו בגיקטיים? Popular Science ישראל וגיקטיים יוצאים בשיתוף פעולה במיוחד במסגרתו יוכלו גולשי האתר להנות ממנוי הכרות מיוחד לגרסה הישראלית של מגזין הטכנולוגיה והמדע במחיר של 20 ש"ח בלבד למשך 3 חודשים. לפרטים נוספים והרשמה

מדע פופולארי

הגב

Be the First to Comment!

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 
wpDiscuz

תגיות לכתבה: