פיתוח של ריאה אנושית על שבב

חוקרים מאוניברסיטת הרווארד, בשיתוף פעולה עם חוקרים מביה”ס לילדים בבוסטון, פיתחו התקן המחקה ריאה אנושית חיה ונושמת על מיקרו-שבב. ההתקן, בגודל של מחק עפרונות רגיל, פועל כמו ריאה בגוף האדם ומורכב מתאי ריאה אנושית וכלי-דם.

מאחר והתקן הריאה שקוף, הוא מספק צוהר למנגנון פעילותה הפנימית של ריאה אנושית ללא צורך בבדיקה פולשנית של הגוף החי. בהתקן גלום פוטנציאל לשמש ככלי חשוב בבחינת ההשפעות של רעלים המצויים בסביבה, הספיגה של תרופות הניתנות ברסס וכן הבטיחות והיעילות של תרופות חדשות. כלי שכזה יוכל להאיץ את הפיתוח הפרמקולוגי בזכות הפחתת ההסתמכות על מודלים קיימים, שבהם הבדיקה של חומר אחד עשויה לעלות יותר משני מיליון דולרים.

“היכולת של התקן “הריאה-על-שבב” לספק תחזית לגביי הספיגה של ננו-חלקיקים הנישאים באוויר ולחקות את התגובה הדלקתית המופיעה לאחר חשיפה לפתוגנים שונים, מספקת הוכחת עיקרון לרעיון שאיברים-על-שבבים יוכלו להחליף רבים מהניסויים בבע”ח בעתיד,” אומר אחד מהשותפים למחקר. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Science.

עד היום, מיקרו-מערכות של רקמות מהונדסות היו מוגבלות בפעילותן הן מבחינה מכאנית והן מבחינה ביולוגית, מסביר החוקר. “אנחנו לא ממש מסוגלים להבין עד תום כיצד פועלות מערכות ביולוגיות אלא אם כן נשלב אותן בהקשר הפיסיקאלי של תאים, רקמות ואיברים חיים אמיתיים.”

בכל נשימה של האדם, אוויר חודר לריאות, ממלא כיסים מיקרוסקופיים המכונים נאדיות ומעביר חמצן דרך קרומית חדירה, גמישה ודקיקה המצויה על-פני תאי הריאות לתוך זרם הדם. זו הקרומית הזו – ממשק תלת שכבתי של תאי ריאה, מצע חוץ-תאי חדיר וכלי-דם נימיים – שעושה את רוב העבודה השחורה של הריאה. יתרה מכך, ממשק ריאה/דם זה מזהה פולשים כגון חיידקים או רעלנים שנשאפו ומפעיל את התגובה החיסונית.

מיקרו-ההתקן הזה של ריאה-על-שבב משתמש בגישה חדשנית להנדסת רקמות באמצעות הנחת שתי שכבות של רקמות חיות – הציפוי הפנימי של נאדיות האוויר של הריאה וכלי-הדם הסובבים אותן – על-גביי מצע גמיש ונקבובי. אוויר מוזרם לתאי הציפוי הפנימי של הריאה, מצע תרבית עשיר מוזרם בתעלות הנימיות בכדי לחקות את זרימת הדם ומערכת מתיחה מכאנית מחזורית מחקה את הנשימה. ההתקן הופק באמצעות שיטת ייצור חדשנית המשתמשת בחומרים גמישים שקופים.

“במחקר זה הושפענו מפעילות הנשימה בריאה אנושית המתבצעת ע”י הקבלה של ואקום הנוצר כאשר החזה שלנו מתרחב, שואב אוויר לריאה וגורם לדופנות הנאדיות להימתח,” אומר אחד מהחוקרים. “השימוש שלנו בואקום לשם החיקוי במערכת המיקרו-מהונדסת שלנו היה מבוסס על עקרונות עיצוב שמקורם בטבע.”

בכדי לקבוע כמה טוב ההתקן מחקה את התגובה הטבעית של ריאות חיות לגירויים, החוקרים בדקו את התגובה של ההתקן לחיידק אשריכיה קול חי נשאף. הם החדירו את החיידק לתוך תעלות האוויר בצידו של ההתקן המכיל את תאי הריאה ובאותו הזמן הזרימו תאי דם לבנים דרך התעלות בצידו של ההתקן המכיל כלי דם. תאי הריאה זיהו את החיידק ובאמצעות הקרומית הנקבובית הפעילו את תאי הדם הלבנים, שבתורם הפעילו את התגובה החיסונית שגרמה, בסופו של דבר, לנדידתם של תאי הדם הלבנים לעבר תא האוויר ולהשמדתם של החיידקים.
“היכולת לשחזר את התנאים המכאניים והביולוגיים האמיתיים במערכות חיות הינה המצאה מרתקת,” מציין החוקר.

החוקרים הכניסו לתא נאדיות האוויר מגוון של ננו-חלקיקים. כמה מחלקיקים אלו קיימים במוצרים מסחריים; אחרים מצויים בזיהומי אוויר ומים. מספר סוגים של ננו-חלקיקים אלו חודרים לתאי הריאה וגורמים להם ליצור כמות גדולה של רדיקלים חופשיים ולעורר תגובה דלקתית. רבים מהחלקיקים עברו דרך מודל הריאה לתוך תעלת הדם, והחוקרים גילו כי נשימה מכאנית מגבירה משמעותית את הספיגה של ננו-חלקיקים. ממצאים חדשים אלו אומתו בעכברים.

“ריאה-על-שבב זו פשוטה וממזגת בתוכה מספר טכנולוגיות באופן המצאתי,” מסביר החוקר. “אני סבור כי ההתקן יהיה שימושי בבדיקת הבטיחות של חומרים שונים לריאה ואני מסוגל לדמיין את צמיחתם של יישומים דומים אחרים, כגון בתחום בחינת מנגנון פעילותה של הריאה.”
לדברי החוקרים, עדיין מוקדם מדי לחזות מה תהיה מידת הצלחתו של תחום מחקר זה. ועדיין, היכולת להשתמש בתאים אנושיים בכדי לשחזר את המאפיינים המכאניים והתנאים הכימיים של איברים, תוכל לספק שינוי מהפכני ממשי בתחום של גילוי תרופות, מציינים החוקרים.

החוקרים עדיין לא הדגימו את יכולתה של המערכת לחקות את מעבר הגז בין נאדיות האוויר לבין מחזור הדם – תפקוד מפתח של הריאות, אולם, אומרים החוקרים, הם בוחנים זאת ממש כעת.
צוות החוקרים עובד גם על הפיתוח של מודלים עבור איברים אחרים, כגון מעיים-על-שבב, וכן מח עצמות ואפילו מודלים לסרטן. בנוסף, הם בוחנים את הפוטנציאל לשילוב מערכות איברים נפרדות.

לדוגמא, צוות מחקר אחר באותו המכון פיתח לב-על-שבב נושם. הם מקווים לשלב בין הריאה-על שבב שלהם לבין הלב-על-שבב. שילוב הרקמות המהונדסות יוכל לשמש לבדיקת תרופות נשאפות ובכדי לזהות טיפולים רפואיים חדשים ויעילים יותר שהינם חסרי תופעות לוואי מזיקות ללב.

הידיעה מהאוניברסיטה