רפואת העתיד: הדפסת איברים להשתלה

בנובלה "ההוביסט" (The Hobbyist) שפרסם כבר ב-1947, תיאר אריק פרנק ראסל  עתיד שבו ראה "שורות של מכונות, כולן שונות, כולן מכינות דברים שונים, צמחים, חרקים, ציפורים ואף פטריות... אטום הוזן לאטום כמו לבנה אחר לבנה לבניית בית" (תרגום חופשי). כעבור 34 שנים  פיתחו חוקרים באוניברסיטת נגויה ביפן  שני חומרים פלסטיים  בעלי המתקשחים בחשיפה לאור על-סגול  שהיו אבן הדרך הראשונה ליצירת מבנים מורכבים בתלת-ממד. רק בשנת 1984, 37 שנים לאחר שנהגה רעיון ההדפסה בתלת-ממד, הגיש צ'רלס הול את הפטנט הראשון למדפסת כזו שאז נקראה טכנולוגיות ליטוגרפיה בסטריאו (stereo lithography technology).

לפני התפתחות ההדפסה התלת-ממדית שקיימת היום, פיתחו חוקרים שיטות שבהן שילבו תאים וחומרים שמגיבים עם הגוף ליצירת מבנים מורכבים למטרות השתלה. לדוגמה הרופא האמריקאי אנתוני אטאלה (Atala) ממכון וייק פורסט עבד בשנים 1999 – 2001 עם חולים במחלת  שדרה שסועה (Spina Bifida) במטרה להחליף את שלפוחית השתן שלהם שנפגעה בעקבות המחלה. הוא נטל דגימות משלפוחיות השתן של החולים ומהן אסף תאי שריר ותאים ייחודיים לשלפוחית השתן. את התאים הללו גידל על "שלד תבנית" שהונדס למבנה של שלפוחית שתן על סמך סריקות האיבר של החולה. את אותה "שלפוחית השתן המהונדסת", הבנויה מסיבי החלבון קולגן שהגוף יודע לפרק, השתיל בחולים ועקב אחר התפקוד שלהן למשך מספר שנים, וראה שיפור ניכר במצב החולים.

מסתמים וסחוסים

בניגוד ליצירת מבנים ביולוגיים על בסיס תבניות מוכנות, ההדפסה בתלת-ממד חדשנית יותר ומאפשרת להדפיס תאים, חלבונים וחומרים המכונים דיו ביולוגית (Bio-Ink) המדמים את הסביבה החוץ תאית בגוף שלנו.

תהליך ההדפסה מתחלק לשלושה שלבים: טרום הדפסה, ההדפסה עצמה ופוסט-הדפסה. תהליך טרום ההדפסה מורכב מסריקות שלושה ממדים של האיבר שאנו מעוניינים להדפיסו, במכשירים רפואיים כמו CT ו-MRI. בשלב הבא מדפיסים את החומרים שכבה אחר שכבה. זה תהליך דומה להדפסה במדפסת דיו ביתית, אבל במקום מחסניות של צבע אדום, צהוב וכחול, יש מחסנית לתאים, מחסנית לחלבונים ומחסנית לדיו ביולוגית. בהדפסה של רקמה חיה, שלב הפוסט כולל "התבגרות" של הרקמה או האיבר המיועדים להשתלה. בשלב הזה מגדלים את המבנה אינקובטורים ייעודיים המספקים סביבה טובה לגידול התאים.

בשנת 2012 השתמשו חוקרים מאוניברסיטת קורנל בארצות הברית בהדפסה תלת-ממדית לייצור מסתם אבי העורקים. לשם כך הם אספו שני סוגי תאים הקיימים במסתם: תאי ביניים מאבי העורקים של חזירים ותאי שריר מאבי העורקים של תורם אנושי. את התאים ערבבו בתוך ביו-דיו שמורכב מג'לטין ואלג'ינט (אותם חומרים שהשתמשו בהם לקינוחים בתכניות בישול בטלוויזיה) והדפיסו אותם שכבה אחר שכבה ליצירת מבנה של מסתם, כך שהתאים סודרו בחלקי המסתם כמו במסתם טבעי. תכונות המסתם המהונדס נבדקו בתרבית וראו שהוא דומה לתכונות של מסתם רגיל.

באותה שנה, קבוצה נוספת הדפיסה סחוס במדפסת תלת ממדית באמצעות  שימוש בדיו ביולוגית מפוליאתילן גליקול ודימתילאקרילט [Poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA)] עם תאים בוני סחוס ממקור אנושי. בדיקת הסחוס המהונדס בתרבית הראתה תפקוד ותחזוקת תאים ברמה גבוהה מזו של תרביות רגילות, עובדה המרמזת כי הסחוס המודפס פועל היטב. בניסיון לשפר עוד את רקמת הסחוס המהונדסת, הצליחו לאחרונה חוקרים מאוניברסיטת גוטנברג בשבדיה להדפיס תאי גזע מושרים שנלקחו מחולים עם בעיות ברכיים בשילוב ביו-דיו על בסיס צלולוז ואלג'ינט וכך יצרו סחוס מותאם אישית לחולה. חשוב לציין כי על אף שיש כיוון ברור לפיתוח האמצעים הללו לרפואה עדיין לא קיימים מחקרים בהם השתמשו בסחוסים מהונדסים בחיות.

רפואה בדיונית

אחת האפשרויות המרתקות והמפחידות בתחום ההדפסה התלת ממדית של רקמות חיות היא לא רק החלפת איברים שאינם מתפקדים, אלא שיפור ושדרוג של איברים. כך לדוגמה, חוקרים  מאוניברסיטת פרינסטון בארצות הברית יצרו אוזן "ביונית" באמצעות שילוב של חומרי דיו ביולוגית עם סליל אנטנה שמחובר לאלקטרודות המאפשר קליטת תדרים רחבים בהרבה מאוזן האדם. ברמת העיקרון, שילוב של הדיו הביולוגית והרכיבים החשמליים עם טכניקות גידול הסחוס שתוארו לעיל יאפשרו בעתיד ליצור אוזן מלאכותית מתפקדת בעלת יכולות על אנושיות להשתלה בבני אדם.

אפשר לסכם את 20 השנים האחרונות, תחילת תחום ההדפסה הביולוגית התלת–ממדית, כהתחלה מבטיחה שעיקר העיסוק בה היה פיתוח אמצעי ההדפסה, חומרי הדיו הביולוגית המתאימים והוכחת היתכנות של הטכנולוגיה. כמו כל טכנולוגיה חדשנית, ההתחלה איטית ודורשת פיתוח רב, ולכן רוב המאמצים הושקעו בהוכחת היכולת לייצר מבנים פשוטים או דו-ממדיים, כגון עור וסחוס ובנוסף מבנים דמויי צינור כמו כלי דם, מסתמים וקנה נשימה. יש עדיין בעיות רבות עם המעבר ממחקר בסיסי לקליניקה וליצירת איברים להשתלה . בין השאר יש צורך בחומרים נוספים המתאימים לפעילות התאים, בשיטות ליצירה מהירה יותר של האיברים ובשיפור התפקוד של התאים בשתל. בעתיד, ככל שחוקרים ימשיכו להבין את הביולוגיה שמנחה את היווצרות המבנים המהונדסים, כך יעברו לפיתוח איברים מורכבים יותר ובאמת יקדמו רפואה "בדיונית".