“מזה עשורים שתחום האלקטרופיזיולוגיה מתבסס על שימוש בתאים ובתרביות הגדלים על גבי משטחים דו-ממדטכנולוגיה חדשנית מסוג ‘איבר-על-שבב’, מסביר פרופ’ צחי כהן-קרני
[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
צוות חוקרים בינלאומי מאוניברסיטת קרנגי מלון ומהאוניברסיטה הטכנולוגית נניאנג בסינגפור (NTU Singapore) הצליח לפתח מערכת של איבר-על-שבב העושה שימוש בחיישנים ביו-חשמליים על מנת למדוד את האלקטרופיזיולוגיה של תאי לב במערך תלת מימדי
מערכי ביו-חיישנים תלת-ממדיים אלו, הנכרכים מסביב לרקמות תאי לב אליפטיים ועוטפים אותם בחוזקה, יוצרים ‘איבר-על-שבב’, ומאפשרים בכך לחוקרים לבחון כיצד תאים מתקשרים ביניהם במערכות רב-תאיות כדוגמת הלב.
הגישה של ‘איבר-על-שבב’ תוכל לסייע בפיתוח ובהערכת היעילות של תרופות לטיפול במחלות, ואולי אפילו לאפשר לחוקרים לנפות תרופות ורעלנים באופן ישיר על גבי רקמה כמו-אנושית, במקום לבדוק אותם בתוך רקמות בע”ח. המערכת תוכל לשמש גם בכדי להשיג תובנות באשר לקשר שבין האותות החשמליים שבלב לבין התפתחות מחלות, למשל הפרעות בקצב הלב. המחקר, שפורסם זה מכבר בכתב העת Science Advances, מאפשר לחוקרים לבחון תהליכים בתוך תאים מתורבתים שכיום אינם זמינים לחוקרים, תהליכים כגון התפתחות רקמות והתבגרות תאים.
“מזה עשורים שתחום האלקטרופיזיולוגיה מתבסס על שימוש בתאים ובתרביות הגדלים על גבי משטחים דו-ממדיים, כגון צלחות פטרי,” אומר צחי כהן-קרני, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ומדעי החומרים מאוניברסיטת קרנגי מלון. “אנו מנסים להתמודד עם האתגר של מדידת התבניות החשמליות של הלב בתמונה תלת-ממדית על ידי פיתוח חיישנים העוטפים את תאי הלב ומספקים בכך מידע אלקטרופיזיולוגי מתוך רקמה זו”. המערכת של איבר-על-שבב מתחילה בתור מלבן שטוח וקטן, בדומה לצמיד סרגל קטן מימדים. צמיד סרגל מתחיל בתור מבנה קשיח ומגולגל, אולם כאשר אתה משחרר את המתח שבתוכו הוא במהרה עוטף את פרק כף היד. איבר-על-שבב מתחיל באופן דומה. החוקרים מקבעים מערכת של חיישנים העשויים מאלקטרודות מתכתיות או חיישנים מהחומר גרפן על גבי פני השטח של השבב, אז מאכלים את השכבה התחתונה העשויה מגרמניום, הידועה בשם “שכבה שאותה ניתן להקריב”. מרגע ששכבה זו הוסרה, מערך החיישנים משתחרר ועוטף את פני השטח במבנה הדומה למעטפת של חבית.
החוקרים בחנו את המערכת על אורגנואידים המורכבים מתאי לב. מבנים תלת-ממדיים אלו של תאי לב הם ברוחב של 3-2 שיערות אנושיות. עיטוף התאים מאפשר לחוקרים לאסוף קריאות של אותות חשמליים ברמת דיוק גבוהה. “הלכה למעשה, יצרנו מערכת של ביו-חיישנים תלת-ממדיים לשם מדידת האלקטרופיזיולוגיה של תאי גזע המתמיינים לאחר מכן לתאי לב”, מסביר החוקר הראשי. “מערכת זו תוכל לשמש במחקר של התחדשות והתפתחות של רקמת לב, ופוטנציאלית לשמש לטיפול ברקמה פגועה לאחר התקף לב, למשל, או עבור הפיתוח של תרופות חדשות לטיפול במחלה”.
“ניתוח מכאני של תהליך העיטוף מאפשר לנו לשלוט באופן מדויק בצורה של החיישנים, זאת במטרה לוודא שמתקיים מגע הדוק בינם לבין רקמת הלב”, אומר החוקר הראשי. “השיטה גם מאפשרת להתאים אוטומטית את רמת ההידוק של המגע העדין שבין החיישנים לבין הרקמה כך שניתן למדוד אותות חשמליים באיכות גבוהה מבלי לשנות את התנאים הפיזיולוגיים של הרקמה בשל לחץ חיצוני”.
“הרעיון הכללי הוא לקחת שיטות המבוצעות באופן רגיל בגיאומטריה מישורית (דו-מימד) ולהתאים אותן לגיאומטריה נפחית-מרחבית (תלת-מימד), מסביר החוקר. “האיברים שלנו הם תלת-ממדיים מטבעם. במשך שנים ארוכות, אלקטרופיזיולוגיה נמדדה בעזרת תאים שגודלו בתרביות על פני רקמה דו-ממדית בתוך צלחת פטרי. אולם, עכשיו, שיטות אלקטרופיזיולוגיה מדהימות אלו תוכלנה להיות מיושמות בעזרת מבנים תלת-ממדיים”.
יים, כגון צלחות פטרי,” אומר צחי כהן-קרני, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ומדעי החומרים מאוניברסיטת קרנגי מלון. “אנו מנסים להתמודד עם האתגר של מדידת התבניות החשמליות של הלב בתמונה תלת-ממדית על ידי פיתוח חיישנים העוטפים את תאי הלב ומספקים בכך מידע אלקטרופיזיולוגי מתוך רקמה זו”. המערכת של איבר-על-שבב מתחילה בתור מלבן שטוח וקטן, בדומה לצמיד סרגל קטן מימדים. צמיד סרגל מתחיל בתור מבנה קשיח ומגולגל, אולם כאשר אתה משחרר את המתח שבתוכו הוא במהרה עוטף את פרק כף היד. איבר-על-שבב מתחיל באופן דומה. החוקרים מקבעים מערכת של חיישנים העשויים מאלקטרודות מתכתיות או חיישנים מהחומר גרפן על גבי פני השטח של השבב, אז מאכלים את השכבה התחתונה העשויה מגרמניום, הידועה בשם “שכבה שאותה ניתן להקריב”. מרגע ששכבה זו הוסרה, מערך החיישנים משתחרר ועוטף את פני השטח במבנה הדומה למעטפת של חבית.
החוקרים בחנו את המערכת על אורגנואידים המורכבים מתאי לב. מבנים תלת-ממדיים אלו של תאי לב הם ברוחב של 3-2 שיערות אנושיות. עיטוף התאים מאפשר לחוקרים לאסוף קריאות של אותות חשמליים ברמת דיוק גבוהה. “הלכה למעשה, יצרנו מערכת של ביו-חיישנים תלת-ממדיים לשם מדידת האלקטרופיזיולוגיה של תאי גזע המתמיינים לאחר מכן לתאי לב”, מסביר החוקר הראשי. “מערכת זו תוכל לשמש במחקר של התחדשות והתפתחות של רקמת לב, ופוטנציאלית לשמש לטיפול ברקמה פגועה לאחר התקף לב, למשל, או עבור הפיתוח של תרופות חדשות לטיפול במחלה”.
“ניתוח מכאני של תהליך העיטוף מאפשר לנו לשלוט באופן מדויק בצורה של החיישנים, זאת במטרה לוודא שמתקיים מגע הדוק בינם לבין רקמת הלב”, אומר החוקר הראשי. “השיטה גם מאפשרת להתאים אוטומטית את רמת ההידוק של המגע העדין שבין החיישנים לבין הרקמה כך שניתן למדוד אותות חשמליים באיכות גבוהה מבלי לשנות את התנאים הפיזיולוגיים של הרקמה בשל לחץ חיצוני”.
“הרעיון הכללי הוא לקחת שיטות המבוצעות באופן רגיל בגיאומטריה מישורית (דו-מימד) ולהתאים אותן לגיאומטריה נפחית-מרחבית (תלת-מימד), מסביר החוקר. “האיברים שלנו הם תלת-ממדיים מטבעם. במשך שנים ארוכות, אלקטרופיזיולוגיה נמדדה בעזרת תאים שגודלו בתרביות על פני רקמה דו-ממדית בתוך צלחת פטרי. אולם, עכשיו, שיטות אלקטרופיזיולוגיה מדהימות אלו תוכלנה להיות מיושמות בעזרת מבנים תלת-ממדיים”.
עוד בנושא באתר הידען:
