להדפיס מבנים חיים

חוקרים מארצות הברית פיתחו דיו להדפסה תלת-ממדית בהשראת חלבונים שמסייעים לקרישת דם. הביו-דְּיוֹ הזה מופק מחיידקים ויכול לשמש להרכבת מבנים חיים שימלאו תפקידים ביולוגיים מורכבים כמו ייצור תרופות, ספיגת רעלים מהסביבה ועוד מגוון תפקידים ביולוגיים.

ביו-הדפסה תלת-ממדית, כלומר הדפסה תלת-ממדית המבוססת על תאים חיים, היא תחום עם הבטחה אדירה. הציפייה היא כי לא ירחק היום שבו נוכל לייצר רקמות להשתלה שיתאימו במדויק למטופל, ואפילו לייצר סטייק שלם ועסיסי במעבדה משכבות של תאי שריר ושומן.

אחד הקשיים הגדולים שמעכבים את הגשמת ההבטחות הגדולות הללו הוא שמסובך לסדר תאים במבנה תלת-ממדי במעבדה. תהליך ההדפסה מפעיל על התאים לחץ מכני שעלול לפגוע בהם, כך שבהיעדר תבנית שתקבע אותם, רוב סוגי התאים נוטים להתאסף כשלולית ולא להתארגן במבנים מסודרים.

אותה תבנית שמייצבת את התאים המודפסים תידרש גם לספק להם חומרי מזון שיחזיקו אותם בחיים בזמן ההדפסה. רוב החומרים שבהם משתמשים כיום ליצירת תבניות כאלה הם פולימרים מן החי, או ביו-פולימרים. פולימר הוא חומר שמורכב מהרבה יחידות קטנות זהות שנקשרות זו לזו בשרשרת ארוכה. השרשראות, בתורן, נקשרות גם הן זו לזו ויוצרות יחד רשתות סבוכות.

ביו-פולימרים מורכבים מרשתות שכולאות בתוכן מים כדי ליצור מרקם דמוי-ג'לי שבו אפשר לגדל תאים חיים. ביו-פולימרים רבים שנמצאים בשימוש בימינו מופקים מאצות, בתהליך מורכב שמשלב בתוכו לעיתים גם חומרים אחרים. הג'לי שנוצר צריך להיות חזק מספיק כדי לייצב את התאים בתהליך ההדפסה, אבל גם גמיש די הצורך כדי לאפשר את ההדפסה עצמה.

אחת הטכניקות הנפוצות להדפסה תלת-ממדית היא פליטת חומר הגלם (ה"דיו") דרך פִּיָּה ואז סידורו בשכבות, שכבה על גבי שכבה. בביו-הדפסה תלת-ממדית אפשר להוסיף לביו-פולימר תאים חיים, אבל אם הביו-פולימר שבו משתמשים כדיו יוצר ג'לי רך מדי, זה פשוט לא יפעל. כמו כשמנסים להדק זה לזה שני פסי קטשופ, השכבות פשוט יהפכו לשלולית. לעומת זאת, אם הג'לי יהיה קשה מדי, לא נצליח להזריק אותו דרך הפִּיָּה.

ניתן לייצר באופן מלאכותי רקמות ביולוגיות ואיברים. ביו-הדפסה במדפסת תלת-ממד | Mikkel Juul Jensen, Science Photo Library

השראה מהטבע

במאמר שפורסם לאחרונה תיארו חוקרים ביו-דיו חדש שמשלב גמישות וחוזק, הודות לתכנון שקיבל השראה משתי מערכות ביולוגיות נפרדות: הדבק שמחזיק יחד מושבות חיידקים ומנגנון קרישת הדם בגופנו. סוגים רבים של חיידקים מסוגלים לייצר ביו-פולימרים שמדביקים אותם יחד למושבות חיידקים גדולות שנקראות ביופילם. החיבור הזה משמש אותם להגנה מפני חיידקים אחרים או מתרופות אנטיביוטיות וכדומה. גם מנגנון קרישת הדם מבוסס על ביו-פולימר חזק וגמיש. יחידות של חלבון שנקרא פיברין (fibrin) נקשרות זו לזו כדי ליצור קריש – רשת שמונעת את המשך הדימום.

אשריכיה קולי (E. coli) הוא חיידק קטן יחסית, מתרבה מהר ונוח לגידול במעבדה, ולכן מרבים להשתמש בו להנדסה גנטית. תאי החיידק מייצרים ביו-פולימרים ממקטעי חלבון זהים ומחברים אותם לשרשראות ארוכות בעלות קשרים חלשים יחסית. החוקרים פיתחו גרסה חזקה יותר של הביו-פולימר על ידי הוספה של שני חלקים לחלבון – אחד שיוצר בליטה בחלבון המקורי ואחר שיוצר בו שקע. כך הם מתאימים זה לזה כמו חלקים של פאזל. הרעיון נולד בהשראת המבנה הפאזלי של החלבון פיברין, שכן כשהרבה חלבוני פיברין נקשרים זה לזה ברקמה פצועה, הסיבים שנוצרים מהם הופכים לקריש סבוך שעוצר את הדימום.

החוקרים הנדסו שני זנים של חיידקי E. coli כך שאחד מהם ייצר את החלבון המקורי עם תוספת שקע, והשני ייצר את אותו חלבון עם בליטה שמתאימה לשקע של הראשון. הביו-פולימר שמורכב משני החלבונים יחד חזק יותר לעומת זה שמורכב רק מאחד מהם או מהחלבון המקורי, ועדיין שומר על מספיק גמישות כדי לאפשר ביו-הדפסה תלת-ממדית. בתהליך פשוט למדי מערבבים יחד את שני זני החיידקים ומפיקים מהם את הביו-דיו.

מפתחי הביו-דיו קיבלו השראה ממערכת קרישת הדם. תאי דם אדומים ורשת פיברין יוצרים קריש דם, תמונה ממיקרוסקופ אלקטרונים סורק | Steve Gschmeissner, Science Photo Library

גשר צר מאוד

הביו-דיו החדש שמיוצר כך הוא חומר יציב ביותר. כדי לבדוק את צמיגותו בנו החוקרים מעין "גשרים תלויים" העשויים מחוט ביו-דיו דק ובדקו מהו אורך הגשר המרבי שיצליחו למתוח לפני שהחוט ייקרע. מקטשופ, למשל, קשה מאוד לייצר גשר דק שנשאר תלוי באוויר בכוחות עצמו, מכיוון שהוא נוזלי מדי. לעומתו, דבק מגע הוא חומר צמיגי בהרבה ולכן קל יותר לחבר באמצעותו בין שתי נקודות.

כשהחוקרים בדקו את צמיגות הביו-דיו באמצעות גישור בין נקודות במרחקים הולכים וגדלים הם מצאו שאורך הגשר המרבי הגיע ל-16 מילימטר. בהתחשב בכך שהביו-דיו הודפס כחוט בקוטר של חצי מילימטר בלבד, ושהוא מורכב מסיבים בעובי אלפית המילימטר בלבד, זהו הישג מרשים מאוד. 

מהביו-דיו אפשר לייצר גם מבנים יציבים רב-שכבתיים, במחקר הנוכחי הגיעו עד לרמה של 21 שכבות. בנוסף, החוקרים הדגימו חלק מהפוטנציאל הטמון בטכנולוגיה החדשה על ידי בניית מבנים חיים: הדפסה של הביו-פולימר החדש עם חיידקים שהונדסו לייצר תרופה או לספוח רעלן. פיתוח כזה יוכל בסופו של דבר לאפשר את ייצורם של שתלים וגלולות שמייצרים תרופה מסוימת באופן מתמשך בתוך גופם של המטופלים. אפשר למשל לדמיין פיתוח של ביו-שתל שפולט תרופה אנטי-סרטנית קרוב למקום הגידול: הביו-דיו, בשילוב עם טכנולוגיות אחרות, יוכל לשמור את אוכלוסיית החיידקים יצרני התרופה כלואה בתוכו וגם להגן עליהם ממערכת החיסון.

השיטה עדיין בפיתוח, אבל החוקרים מקווים שבעתיד היא תוכל לשמש גם מקור לחומרי בניין שיכולים לתקן את עצמם. לקינוח הם מציעים להשתמש בביו-דיו שפיתחו לבניית מבנים בחלל או בכוכבי לכת אחרים, מקומות שיהיה קשה לייבא אליהם מוצרים ותידרש יכולת לייצר חומרי בניין ממשאבים מוגבלים מאוד.