דשים מהונדסים דורשים רשת כלי דם פונקציונלית משולבת. בפרוטוקול זה, אנו מציגים שיטה לייצור דש רקמה מודפס בתלת-ממד המכיל רשת כלי דם היררכית ואת האנסטומוזות המיקרו-כירורגיות הישירות שלה לעורק עצם הירך של החולדה.
הנדסת רקמות מושתלות, פונקציונליות ועבות דורשת תכנון רשת כלי דם היררכית. הדפסה ביולוגית תלת-ממדית היא טכנולוגיה המשמשת ליצירת רקמות על ידי הוספת שכבה על גבי שכבה של ביו-חומרים הניתנים להדפסה, המכונים ביו-אינקים ותאים באופן מסודר ואוטומטי, המאפשר יצירת מבנים מורכבים ביותר שטכניקות מסורתיות של הנדסת רקמות אינן יכולות להשיג. לפיכך, הדפסה ביולוגית תלת-ממדית היא גישה מושכת במבחנה כדי לחקות את המבנה המורכב הטבעי של כלי הדם, החל מכלי שיט מילימטריים וכלה ברשתות מיקרו-וסקולריות.
ההתקדמות בהדפסה ביולוגית תלת-ממדית בהידרוג’לים גרגיריים אפשרה שחול ברזולוציה גבוהה של ביו-אינקים מבוססי מטריצה חוץ-תאית בעלי צמיגות נמוכה. עבודה זו מציגה גישת הדפסה תלת-ממדית משולבת של הדפסה ביולוגית בתלת-ממד והדפסה תלת-ממדית מבוססת-הקרבה לייצור כנפי רקמות וסקולריות מהונדסות. הדפסה ביולוגית תלת-ממדית של תאי אנדותל ותאי תמיכה באמצעות ביו-אינק של קולגן-מתקרילט רקומביננטי בתוך אמבט תמיכה בג’לטין מנוצלת לייצור רשת נימית בהרכבה עצמית. מיקרו-וסקולטורה מודפסת זו מורכבת סביב פיגום נקבובי דמוי כלי מזוקלי, המיוצר באמצעות תבנית מודפסת בתלת-ממד של הקורבן, והוא נזרע בתאי אנדותל.
הרכבה זו גורמת לאנדותל של כלי הדם המזוקלי לאנסטומוז עם הרשת הנימית הסובבת, ויוצרת רשת כלי דם היררכית בתוך דש רקמה מהונדס. הדש המהונדס מושתל ישירות על ידי אנסטומוזיס כירורגי לעורק עצם הירך של חולדה בטכניקת השרוול. ניתן להרחיב את השיטות המתוארות לייצור כנפי רקמות וסקולריות שונות לשימוש בניתוחי שחזור ומחקרי כלי דם.
מומים חמורים ברקמות נגרמים כתוצאה מפציעות טראומטיות, מומים מולדים או מחלות, ותקן הזהב הנוכחי לטיפול בפגמים אלה הוא באמצעות שתלים אוטולוגיים, דשי רקמות וסקולריות ודשים חופשיים ממיקרו-וסקולריים כתחליפי רקמה. עם זאת, לאפשרויות אלה יש את החסרונות של רקמת אתר תורמים מוגבלת ותחלואה באתר התורם1. לפיכך, יש ביקוש הולך וגובר לתחליפי רקמות חלופיים שניתן להשתמש בהם כדי לתקן פגמים אלה2. עובי מבני הרקמות המהונדסים מוגבל על ידי דיפוזיה של חומרי מזון וגזים לעבר התאים, ולכן רשת כלי דם נכונה חיונית ליצירת פיגומים גדולים, עבים ומזינים כראוי.
מספר גישות יושמו כדי לקדם את הווסקולריזציה של שתלים מהונדסים3, כולל גיוס in vivo של תמיכה וסקולרית מהמארח, אספקת גורמי גדילה וציטוקינים בתוך הפיגומים, פרבסקולריזציה של שתלים, יצירת מיטת מיקרו-ווסל מסתעפת הניתנת להסתעפות מתמדת באמצעות טכניקות מיקרו-פטרנינג4, שימוש בחומרי הקרבה להיווצרות תעלות/רשת כלי דם5 וכן יצירת ערוצים בתוך מבנים מודפסים ביולוגית בתלת-ממד 5,6., וסקולריזציה של רקמות עבות דורשת שילוב של רשת כלי דם היררכית המורכבת מכלי דם בקנה מידה מאקרו ומיקרו-קפילרי. כלי הדם בקנה מידה מאקרו מפיצים את הדם ביעילות לאורך כל המבנה ומאפשרים אנסטומוזות מיקרו-כירורגיות עם כלי הדם המארחים, בעוד שכלי הדם בקנה מידה מיקרו-קפילרי מאפשרים דיפוזיה של חומרים מזינים.
הדפסה ביולוגית זכתה לתשומת לב רבה בשנים האחרונות בשל היתרונות שהיא מציעה על פני שיטות קונבנציונליות של הנדסת רקמות. רקמות ואיברים הם אובייקטים תלת-ממדיים מורכבים ומורכבים עם ארכיטקטורה ספציפית. הדפסה ביולוגית תלת-ממדית, עם יכולתה להפקיד שכבות של ביו-חומרים ברזולוציה גבוהה, מאפשרת את היכולת ליצור תחליפי רקמות ואיברים מורכבים (למשל, כליות, ריאות, כבד)7. מספר טכנולוגיות הדפסה הותאמו להדפסה ביולוגית, כולל הדפסה מבוססת שחול, הזרקת דיו8, תצהיר בסיוע לייזר 9,10, והדפסה ביולוגית מבוססת סטריאוליתוגרפיהשל 11,12. הטכנולוגיות מבוססות השחול מסתמכות על הבלטת החומר דרך זרבובית על ידי הפעלת לחץ על משטח התפזורת של החומר מול הזרבובית.
הטבעה הפיכה חופשית של הידרוג’לים מרחפים (FRESH) היא טכניקת הדפסה ביולוגית13,14 המשתמשת בחומר תמיכה גרגירי שבו החומר המובלט מופקד ומקובע במקומו על ידי אמבט התמיכה. אמבט התמיכה מעניק תמיכה מכנית לביו-אינק המובלט, המקושר מראש, עד להצלבתו. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שאמבטיה התומכת מאפשרת הבלטה של חומרים בעלי צמיגות נמוכה שאינם יכולים לשמור על צורתם לאחר שחול ולפני ההצלבה15. זה מרחיב את מאגר החומרים הזמינים שיכולים לשמש כביו-אינקים.
מאמר זה מציג פרוטוקול ליצירת דש כלי דם המשלב כלי דם זעירים ומזוזקליים. כדי להשיג זאת, רשתות מיקרו-וסקולריות מודפסות ביולוגיות, המורכבות מעצמן, נוצרות בהידרוג’ל קולגן מתקרילט אנושי (rhCollMA) רקומביננטי, אשר לאחר מכן מתחבר לפנים של פיגום כלי דם גדול יותר, מושתל, וכתוצאה מכך דש רקמה מהונדס לחלוטין16. כדי ליצור זלוף מהיר וישיר של רקמות מהונדסות, נדרשת אנסטומוזיס מיקרו-כירורגית ישירה לכלי המארח. לפיגום הווסקולרי אין חוזק שימור תפרים מספיק כדי לעבור תפירה באמצעות תפירת דופן כלי דם מיקרו-כירורגית מסורתית. לכן, אנו מתארים שיטה “חפתים”17,18,19 להשגת אנסטומוזיס עם עורק הירך הנפוץ של חולדה. בשיטה זו, קצוות הכלי מאובטחים בתפרים היקפיים, ללא צורך לנקב את דופן הכלי.
למרות שהפרוטוקול המוצע הוכן כדי לחקור כלי דם היררכיים בסביבת rhCollMA, ניתן להרחיב גישה זו וליישם אותה במגוון יישומים חדשים. ניתן ליישם את הפרוטוקול על הדפסה ביולוגית של תאים ספציפיים לרקמות שונות בביו-אינקים שונים. יתר על כן, ניתן לשנות בקלות את הגיאומטריה והגודל של המבנים כך שיתאימו לדרישות ספציפיות, כגון שחזור רקמות גדולות או מחקרים ביולוגיים.
הנדסת רקמות כלי דם היא אחד האתגרים העיקריים של הנדסת רקמות20. השיטות הנוכחיות ליצירת רקמת כלי דם מהונדסת מתמקדות ביצירת מיקרו-וסקולטורהבהרכבה עצמית 21,22,23 או בייצור פיגומי כלי דם מזוקליים 24,25 ולא בשחזור מערכת של כלי דם היררכיים, שניתן לחדור אליה באופן מיידי וישיר עם השתלה26 . בעבודה זו אנו מתארים פרוטוקול העושה שימוש בשתי שיטות הדפסה תלת-ממדיות כדי ליצור רשת כלי שיט היררכית המורכבת מכלי דם זעירים ומזוקליים. הפרוטוקול משלב רשת מיקרו-וסקולרית תלת-ממדית בהדפסה ביולוגית ובהרכבה עצמית עם פיגום כלי דם מזוקלי, ומשיג דש מושתל וסקולרי. יתר על כן, מאמר זה מציג פרוטוקול להסטה ישירה של דש זה לעורק הירך של חולדה.
הדפסה ביולוגית בתלת-ממד צברה עניין בשנים האחרונות בשל הרבגוניות שלה על פני טכניקות מסורתיות של הנדסת רקמות. בעוד שפרוטוקול זה מתאר את יצירתה של רשת מיקרו-וסקולרית בביו-אינק rhCollMA, ניתן ליישם את השיטות בהן נעשה שימוש עם שינויים מעטים בביו-אינקים רבים אחרים משפע הביו-אינקים הנחקרים והחדשניים ואמבטיות תמיכה27,28. בחרנו להשתמש ב-rhCollMA כביואינק בשל שפע הקולגן מסוג I ב-ECM האנושי, המספק סביבה מתאימה לחיבור תאים. יתר על כן, הוא מיוצר באופן רקומביננטי בצמחים ושונה עוד יותר עם קבוצות מתקרילט, המאפשרות פוטופולימריזציה והיווצרות הידרוג’לים תלת-ממדיים יציבים29,30. פוטו-קרוסלינקינג הושג על ידי הוספת הפוטוניטיטור LAP, שהוכח כלא רעיל ומופעל על ידי חשיפה לאור כחול של 405 ננומטר, מה שמפחית את הפוטוטוקסיות האפשרית של אור UV. עם זאת, השימוש בביו-אינקים רגישים לאור מחייב שימוש במדיום תרבית ללא אדום פנול להכנת הביואינק והחומר התומך. יתר על כן, הפרוטוקול מתאר את השימוש בחומר תומך בג’לטין, המאפשר שחול בנאמנות גבוהה של ביואינקים כגון rhCollMA. לכן, זה קריטי כדי להבטיח את השימוש במדיום קר במהלך הכנתו ואת הקירור של מיטת המדפסת. חימום מוגזם עלול להתרחש עקב מקור האור המשמש לקישור צולב או מטמפרטורות סביבה גבוהות.
ביו-פרינטר מבוסס שחול שימש כאן ליצירת הרשת המיקרו-וסקולרית המודפסת ביולוגית, וכיום ישנם מדפיסים ביולוגיים רבים הזמינים מסחרית שיכולים ליצור מבנים דומים. יתר על כן, ניתן לשנות את השיטות המוצעות בקלות וליישם אותן כדי לחקור גיאומטריות, גדלים ודפוסי מילוי שונים. בעבודה זו נבחרה תבנית מילוי רקטלינארית כדי ליצור נקבוביות מחוברות, וניתן להדפיס אותה במהירות יחסית בנאמנות גבוהה.
בועות אוויר מציבות אתגר משמעותי בהדפסת ביולוגיה של שחול, במיוחד בתוך חומרים תומכים. לכן, חיוני למזער את הנוכחות וההיווצרות של בועות אלה על ידי שימוש בפיפטות תזוזה חיוביות להעברת חומר התמיכה, הכנת תרחיף תאי הביו-אינק והעברתן למחסניות ההדפסה.
בעבודה זו, תאי אנדותל שמקורם בשומן אנושי ותאי גזע של עיסת דנטלית שימשו כתאים תומכים בשל בידודם הקל יחסית מהחולים. יתר על כן, ריכוז תאים כולל של 8 x 106 תאים /מ”ל נבחר מכיוון שהוכח כי ריכוז זה קובע את רשתות כלי הדם המפותחות ביותר16. בעוד שניתן להשתמש בפרוטוקול זה כדי ליצור מיקרו-וסקולטורה באמצעות סוגי תאים ומקורות שונים, כמו גם ביו-אינקים שונים, יש לבצע כיול של ריכוז התאים כדי לקבוע את התנאים הטובים ביותר להתפתחות הרשת המיקרו-וסקולרית. יתר על כן, תאים ספציפיים לרקמות (כלומר, מיובלסטים או אוסטאובלסטים) יכולים להיות משולבים בתוך הביואינק כדי להשיג דשים וסקולריים ספציפיים לרקמות.
התבנית של פיגום כלי הדם הנקבוביים יוצרה באמצעות חומר מסיס במים מודפס בתלת-ממד שהודפס בתלת-ממד במדפסת תלת-ממד של שחול הזמינה באופן מסחרי. התוצאה היא טכניקה חסכונית המבוססת על פלטפורמות אב-טיפוס מהירות, כך שניתן לחקור ולסנן במהירות31 גיאומטריות וגדלים רבים ושונים של פיגומי כלי דם. עם זאת, מגבלה של שיטה זו היא מגבלת הרזולוציה של רוב מדפסות התלת-ממד32. עם זאת, עם התעשייה המתפתחת במהירות סביב ייצור תוספים, מגבלות אלה צפויות להשתפר עם הזמן. השימוש בממסים אורגניים לתהליך הייצור הוא מגבלה נוספת של הפרוטוקול, שכן רוב הממסים האורגניים רעילים לתאים, ומונעים את היכולת לשלב את הליך ההדפסה הביולוגית עם תהליך ייצור פיגומי כלי הדם.
לשיטה המתוארת של זריעת הלומן של הפיגום באמצעות שאיפה בניגוד לדחיפת תרחיף התאים יש השפעות משמעותיות על לוקליזציה של התאים הזורעים. שימוש בלחץ שלילי מאפשר אנדותליזציה של הלומן הפנימי של הפיגום תוך מזעור כל שפיכה של תרחיף התא דרך הנקבים שעל דופן הפיגום16.
שיטת “השרוול” המתוארת לאנסטומוזות מיקרו-כירורגיות ניתנת לשינוי בקלות ולהסתגל לחומרים או גדלים שונים של פיגומי כלי דם, כמו גם לעורקים וורידים שונים בקנה מידה רחב של מודלים של בעלי חיים. ההתאמות לפרוטוקול יכללו גדלים שונים של שפופרות פולימיד וגדלי תפרים שונים. שיטה זו אינה דורשת ניקוב של דופן הפיגום, מה שעלול להוביל להתפתחות פגמים. עבודה זו מציגה פרוטוקול שניתן להרחיב ליישומים רבים. ההיבטים הקריטיים של פרוטוקול זה, הכוללים ייצור של כלי דם מזו ומיקרו-בקנה מידה ואת ההרכבה וההשתלה שלהם, מייצגים היבטים קריטיים של דשים מהונדסים הן עבור יישומים משחזרים, והן עבור מחקרים בהנדסת כלי דם ורקמות אחרות.
The authors have nothing to disclose.
פרויקט זה קיבל מימון ממועצת המחקר האירופית (ERC) במסגרת תוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי (הסכם מענק מס’ 818808). rhCollMA סופק בנדיבות על ידי CollPlant (רחובות, ישראל). המחברים מודים לרשות למחקר פרה-קליני בטכניון על הסיוע בטיפול בבעלי חיים, וכן לג’נט זבין, גליה בן דוד ועידן רדנסקי.
1,4-Dioxane | Biosolve Chemical | 42405 | |
27 G x 0.5" blunt tip dispensing needles | CML supply | 901-27-050 | |
3cc amber syringe barrel & piston set | Nordson EFD | 7012085 | Amber syringes used to block light and prevent premature crosslinking |
5-0 AssuCryl PGA absorbale suture | Assut Sutures | Absorbable sutures used for skin wound closure | |
6-0 polypropelene sutures | Assut Sutures | 9351 | |
Acland clamps | S&T | B-1V | |
Adventitia scissors | S&T | SAS-15 | |
Angled no.3 jeweler's forceps | S&T | JFAL-3-18 | |
BioAssemblyBot 400 3D Bioprinter | Advanced Solutions | a 6-axis 3D bioprinter | |
Bovine albumin serum Probumin | Millipore | 82-045-1 | |
Buprenorphine | vetmarket | B15100 | |
BVOH filament | Verbatim | 55903 | a water-soluble 1.75 mm diameter filament |
Clamp applying forceps | S&T | CAF-4 | |
Dental pulp stem cells | Lonza | PT-5025 | |
Dietrich bulldog clamps | Fine Science Tools (FST) | 18039-45 | |
di-Sodium hydrogen phosphate (Na2HPO4) | Carlo Erba Reagents | 480141 | |
Dissection scissors | S&T | 18039-45 | |
DMEM, High Glucose, No Phenol Red | Sartorius | 01-053-1A | |
Duratears | Alcon | DJ03 | |
ECM media + bullet kit | Sciencell | #1001 | |
Ethanol 96% | Gadot-Group | 64-17-5 | |
GlutaMAX | Gibco | 35050061 | glutamine substitute |
Goat anti-mouse Cy3 antibody | Jackson | 115-166-072 | |
Heparin Sodium 5,000 I.U./mL | Panpharma | – | |
Human adipose microvascular cells | Sciencell | #7200 | |
Human fibronectin | Sigma | F0895-5MG | A stock concentration of 1 mg/mL |
Isoflurane, USP Terrell | Piramal Critical Care | NDC 66794-011-25 | |
LifeSupport | Advanced Biomatrix | 5244 | a gelatin support slurry for FRESH 3D bioprinting |
Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) | Sigma-Aldrich | 900889 | |
Low-glucose DMEM | Biological Industries | 01-050-1A | |
MICROMAN E M1000E, 100-1,000 µL | Gilson | FD10006 | |
Mouse anti-SMA antibody | Dako | M0851 | |
NEAA | Gibco | 11140068 | |
Needle holder | Fine Science Tools (FST) | 12500-12 | |
Paraformaldehyde solution 4% in PBS | ChemCruz | SC-281692 | |
Penicillin-Streptomycin-Nystatin Solution | Biological Industries | 03-032-1B | |
Phospate buffered saline (PBS) | Sigma | P5368-10PAK | |
Poly(ethylene oxide), M.W. 250,000 to 400,000 | Acros Organics | 178602500 | |
Poly(L-lactic acid), IV 5.0 dl/g (PLLA) | Polysciencse, Inc. | 18582-10 | |
Polyimide tubing, ID: 0.0249", OD: 0.0273" | Cole-Parmer | 95820-05 | A thin-walled tube used to fabricate cuffs for microsurgical anastomoses |
Prusa I3 MK2.5 3D Printer | Prusa Research | http://www.prusa3d.com/ | a popular commercial 3D printer |
Resomer RG 503 H, Poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) | Evonik Industries | 719870 | |
rhCollMA | CollPlant | https://collplant.com/ | generously provided by CollPlant (Rehovot, Israel) |
round-handled needle holder | S&T | B-15-8 | |
Scalpel handle – #3 | Fine Science Tools (FST) | 10003-12 | |
small fine straight scissors | Fine Science Tools (FST) | 14090-09 | |
Sodium Chloride | Biosolve Chemical | 19030591 | |
Sodium Phosphate dibasic (NaH2PO4) | Riedel-de Haen | 4276 | |
Solidworks | Dassault Systems | CAD software | |
Straight no.3 jeweler's forceps | S&T | JF-3-18 | |
Straight serrated forceps | Fine Science Tools (FST) | 11050-10 | |
Surgical Scalpel Blade No.15 | Swann-Morton Limited | 305 | |
Triton-X 100 | BioLab LTD | 57836 | |
TSIM | Advanced Solutions | 3D slicing and design software for the BioAssembly Bot | |
Vessel dilator | S&T | D-5a.1 | |
Zeiss Tivato 700 surgical microscope | Zeiss |