כך גדלים נימי הדם

מדענים מהטכניון וממכון ויצמן למדע הראו כיצד כוחות מכניים משפיעים על התפתחות כלי דם ועל התארגנותם במבנה בעל סדר כיווני

 

פרופ' שולמית לבנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית

פרופ' שולמית לבנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית

רוב התאים בגופנו מקיימים מגע עם המרקם הבין-תאי (ECM) המקיף אותם. עד לאחרונה הניחו מדענים רבים שמדובר בקשר ביוכימי בעיקרו, אולם בשנים האחרונות התברר כי אינטראקציות מכניות, למשל יכולתם של תאים לחוש בתכונותיו של המרקם ולהגיב להן, ממלאות תפקיד משמעותי בהתפתחות התא ובתפקודו.

 

במאמר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת המדעי Nano Letters מראים מדענים מהטכניון וממכון ויצמן למדע כיצד בדיוק משפיעים כוחות מכניים על התפתחות של כלי דם ברקמה ביולוגית. את המחקר הובילו הדוקטורנטית שירה לנדאו ופרופ' שולמית לבנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון והדוקטורנט אברהם מוריאל ופרופ' ערן בוכבינדר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע, בשיתוף עם ד"ר אריאל ליבנה, לשעבר חוקר בתר-דוקטוריאלי במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע.

בסדרת מחקרים שהתבצעה במעבדתה של פרופ' לבנברג בטכניון נבחנה הרגישות המכנית של רשתות כלי דם, כלומר ההשפעה של כוחות מכניים על אופיין של רשתות אלה ועל כיווני צמיחתן. המחקרים בוצעו במערכת שפותחה במעבדתה של פרופ' לבנברג ונועדה לשפר תהליכים של יצירת רקמות להשתלה.

יצירת רקמות מלאכותיות המיועדות להשתלה היא כלי משמעותי בטיפול רפואי. האתגר המדעי הוא לייצר את הרקמות כך שיכילו רשת של כלי דם, המבטיחה אספקה סדירה של חמצן וחומרי תזונה. חשיבות גדולה נודעת לסדר הכיווני של הרשת, כלומר לסידורם בכיוון דומה לסידור כלי הדם ברקמת היעד. היבטים אלה חיוניים להיקלטותו של השתל ולהישרדותו.

 

בתרשים: התארגנות כלי דם ברקמה מהונדסת תחת כוחות מכניים שונים. אפשר לראות, לפי סדר התמונות מימין לשמאל, כי במתיחה מחזורית התאים וכלי הדם מסתדרים בניצב לכיוון המתיחה; במתיחה סטטית הם מסתדרים בכיוון המתיחה; ואילו ללא כוחות מתיחה חיצוניים הם מתפזרים באופן אקראי

בתרשים: התארגנות כלי דם ברקמה מהונדסת תחת כוחות מכניים שונים. אפשר לראות, לפי סדר התמונות מימין לשמאל, כי במתיחה מחזורית התאים וכלי הדם מסתדרים בניצב לכיוון המתיחה; במתיחה סטטית הם מסתדרים בכיוון המתיחה; ואילו ללא כוחות מתיחה חיצוניים הם מתפזרים באופן אקראי

הטכנולוגיה שפיתחה פרופ' לבנברג מבוססת על פיגומים פולימריים תלת-ממדיים מתכלים, שעליהם נזרעים תאים ביולוגיים החיוניים להתפתחות כלי דם. יעילותה של טכנולוגיה זו הודגמה בשורה של מחקרים. בשנת 2016 פרסמו פרופ' לבנברג וד"ר דקל רוזנפלד, שהייתה בעת ההיא דוקטורנטית במעבדתה, מאמר בכתב העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS) ובו הציגו מערכת-מתיחה מקורית המפעילה על הרקמה המלאכותית כוחות המשפיעים על התהליכים הביולוגיים בתאים ואפילו על התמיינותם, צורתם, נדידתם והתארגנותם במבנים וכן על הגיאומטריה של הרקמה המתפתחת, על בשלותה ועל יציבותה.

 

באותו מחקר התברר כי כוחות מתיחה הפועלים על הרקמות בשלב גידולן מובילים לצמיחה של כלי דם בעלי כיווניות מוגדרת. "רצינו להבין איך פועל התהליך הזה וכיצד לשלוט בו," אומרת הדוקטורנטית שירה לנדאו מהטכניון. "פרופ' בוכבינדר ושותפיו ממכון ויצמן למדע פיתחו תיאוריה המסבירה את השפעות הכוחות המכניים על התא הבודד, וביחד הרחבנו אותה לרמת הרקמה הרב-תאית".

במחקר החדש הבינו המדענים כיצד רצף של מתיחה דינמית-מחזורית ומתיחה סטטית יכולות להוביל להתפתחות סדר כיווני ברשתות של כלי דם, אף על פי שהמנגנון הביופיסי שעומד בבסיס שני התהליכים שונה מהותית. "אתגר משמעותי שהתמודדנו אתו,", אומר הדוקטורנט אברהם מוריאל, "היה הבנת הקשר בין הניסויים הביולוגיים המורכבים ובין התיאוריה הפיסיקלית."

 

המחקר הוביל לביסוס של פרוטוקול מתיחה שמאפשר יצירת רקמות אופטימליות, ובהן רשתות יציבות, עשירות ובעלות סדר כיווני מוגדר היטב של כלי דם. המדענים מקווים כי הממצאים יקדמו את האפשרות ליצור בעתיד רקמות של רשתות כלי דם בעלות מבנה וכיווניות שיאפשרו השתלה יעילה שלהן במטופלים.

למאמר בכתב העת Nano Letters לחצו כאן

אברהם מוריאל

אברהם מוריאל

פרופ' ערן בוכבינדר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע

פרופ' ערן בוכבינדר מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע

הדוקטורנטית שירה לנדאו

הדוקטורנטית שירה לנדאו