הנדסת רקמות – השתלת תאי כבד לשם ריפוי כבד פגוע

להנדס את הכבד

הנדסת הרקמות התפתחה מתוך הצורך הגובר באספקת רקמות ואיברים להשתלה. כשרוצים לחדש רקמה פגועה שאינה מתחדשת בכוחות עצמה, מזריקים תאי גזע עצמיים או תאי רקמה שנלקחו מתורם, כדי שישתלבו בתוך האיבר הפגוע ויתחיל תהליך ריפוי. על מנת להגדיל את מספר התאים שיקלטו, קודם כל 'זורעים' אותם בתוך פיגום ביולוגי תלת מימדי הבנוי מפולימר. בדומה לשלד, הפיגום נותן את המשענת הביו-מכנית עד שהתאים מתפתחים לרקמה מתפקדת. פיתוח ובניית הפיגומים הללו הוא אחד התחומים איתם מתמודדים כיום חוקרים מתחום ההנדסה הביו-רפואית, המנסים לבסס את הפיגומים על חומרים טבעיים וידידותיים לתאים. 

הכבד הוא איבר הנראה כמועמד מבטיח לטיפול באמצעות השתלת רקמות. בניגוד לחלק מהאיברים והרקמות בגופנו, שאינם יכולים להתחדש לאחר שניזוקו, לכבד יש יכולת רגנרציה – היכולת לצמוח מחדש. כבד של חולדה, לדוגמא, שנכרתו 70% מנפחו, ישלים עצמו בתוך שבוע, וכבד של אדם בתוך חודשיים. אחד השיקולים להעדפת השתלת תאים בכבד על פני השתלת כבד שלם, היא האפשרות לעזור לכבד הפגוע להתאושש בעזרת תגבור של תאים בריאים.

"בבואנו לטפל באי ספיקת כבד, הבעיה העיקרית היא בתרומות כבד להשתלה", אומר פרופ' יעקב ברוך,מנהל יחידת כבד בקריה הרפואית רמב"ם. "אמנם, ניתן גם להיעזר בתורם חי לצורך השתלה, כי אפשר להסתפק באונה אחת ואין צורך בכבד השלם, אבל הניתוח מורכב וכרוך בסיכונים גם לתורם וגם למושתל".

החיפוש אחר תאים להשתלה
אחת הבעיות הקשות בהשתלות היא דחיית השתל, המזוהה כפולש זר ע"י מערכת החיסון בגוף המושתל, התוקפת אותו באמצעות תאי הדם הלבנים. "אותה בעיה קיימת גם בהשתלת תאים, אך בעוצמה פחותה, עקב המספר הקטן יחסית של התאים המושתלים", מדגיש פרופ' ברוך. "במקרה הגרוע מערכת החיסון תצליח במשימתה והתאים יושמדו, אך לא יגרם אותו הנזק כמו בדחיית האיבר השלם".

"תאים מושתלים יכולים לתקן פגמים גנטיים, הגורמים לאי היווצרות או ליצירת אנזימים (חלבונים המשתתפים בתהליכי חילוף החומרים) פגומים. למשל, כאשר חסר האנזים המעורב במטבוליזם של בילירובין (תוצר הפירוק של המוגלובין – החומר המקנה לדם את צבעו האדום), הכבד מוצף בבילירובין, שמצטבר וגורם לנזק בילודים. התאים המושתלים, המסוגלים להחזיק מעמד בגוף במשך שנה, צפויים לתקן פגם זה".

 

פרופ' ברוך מציע פתרון לפציעות קשות ולמצבים המחייבים שחזור וצמיחה מחדש של הכבד, מהירים יותר מהרגיל, באמצעות הזרקת התאים דרך וריד השער ישירות לתוך הכבד.

"תיאורטית, ניתן להשתיל לחולה אחד תאי כבד, הן לטחול, הן לכבד והן לכלי הדם של הכבד (המערכת הפורטלית), וזאת כדי להגביר את הסיכויים לקליטה מהירה ויעילה".
החוקרים עובדים עכשיו על שורה של מחקרים, שמטרתם לייצר את התאים להשתלה, החל מתאי גזע (תאי אב) כבדיים וכלה בתאי גזע עובריים, שעוברים התמיינות לתאי כבד. מחקרים אלה עודם רחוקים מיישום מעשי. לעומתם, המחקרים בהשתלת תאי כבד בוגרים ממקור אנושי רגיל, המסוגלים לתפקד מידית, יותר קרובים ליישום מעשי. 

אך גם לאחר שנבחרו התאים המתאימים להשתלה - התלאות לא תמו: מרבית התאים (90%-95%) סובלים מ'חבלי קליטה' ואינם שורדים: חלקם נודדים החוצה מאיבר המטרה, חלקם מוצאים את מותם בתהליך מוות מבוקר (אפופטוזיס), או מזוהים כרקמה זרה ומושמדים ע"י מערכת החיסון. היעד הסופי של המחקר הוא לעזור לכמה שיותר תאים לשרוד את הדרך רצופת המהמורות, ולשגשג לרקמה מתפקדת."חייבים לשפר את התנאים להשתלה כדי להגביר את הניצילות", מדגיש פרופ' ברוך, "אנו נכנסים לפעולה בקטע הזה, של שיפור אחוזי ההישרדות, כך שתאים מושתלים יתפקדו מיידית לאחר ההשתלה".

אחד האתגרים בהנדסת רקמות הוא אספקת מזון וחמצן לתאים המושתלים לרקמה. האספקה הזו חייבת להגיע לרקמה מיד לאחר ההשתלה. עד שמתחילה צמיחת כלי דם ('אנגיוננזיס'), סביבת אזור השתל דלה בכלי דם, ומרוחקת מספר שכבות של תאים מנימי הדם הקרובים ביותר. לכן, חשוב יחד עם ההשתלה - לספק גורמי גדילה, המעודדים צמיחה מהירה של כלי דם באזור השתל.

 

לבנות את הפיגום המושלם

 

במחקר משותף עם פרופ' סמדר כהן מאוניברסיטת בן גוריון בבאר שבע, נבדקה יצירת פיגום תלת ממדי מ'אלגינט' (חומר המופק מאצות ים חומות). אל הפיגום הוחדרו קפסולות זעירות בקוטר 3 מיקרון (3 אלפיות המילימטר), המשחררות באופן רציף ומבוקר את גורם הגדילה ' BFGF' (Basic Fibroblast Growth Factor). התברר, שהשחרור הרציף של גורם הגדילה עורר יצירת נימי דם בוגרים כבר בתוך הפיגום של הרקמה, דבר המאפשר את חיוניות הרקמה המושתלת ותפקודה. 

שדה הנדסת הרקמות הצמיח את הצורך בחומרים ביולוגיים אשר יכולים ליצור את המבנה התלת-מימדי, שייתן תמיכה וחיים לתאים המושתלים מחוץ לגוף - הן כמשענת פיסית והן באמצעות העברת אותות (סיגנלים). לפיכך, הפיגום התלת מימדי האידיאלי צריך לשלב אלמנטים של מבנה עם תפקוד ביולוגי. רוב הביו-חומרים המשמשים כיום להנדסת רקמות מספקים בהצלחה את התמיכה הפיסית, אך נכשלו באספקת הסביבה החיונית לשמירה על תהליכי החיים בתא. האתגר העומד בפני החוקרים הוא למצוא את האיזון הנכון בין מבנה ותפקוד. היכולת לווסת את הקשר בין התאים וסביבתם, תוך שימוש בפיגום עם ננו-חומרים המוטבעים בתוכו ונותנים את המנוע לצמיחה, עשויה להוות יתרון בהנדסת הרקמות.

פרופ' יעקב ברוך
יליד ירושלים, 12 דורות בארץ. בוגר ביה"ס לרפואה של הטכניון בחיפה, התמחה ברפואה פנימית וגסטרואנטרולוגיה ברמב"ם והשתלם בחקר הכבד בדרום אפריקה. כיום, חבר סגל בפקולטה לרפואה של הטכניון ופרופ' אורח באוניברסיטת מניטובה בקנדה ואוניברסיטת טקסס ביוסטון. אב ל-3 ילדים וסב גאה לנכד ראשון ומתגורר בבנימינה עם בת זוגתו לחיים.

הסכנות האורבות לתאים
פרופ' ברוך עוסק כיום, יחד עם עמיתיו, בכמה מסלולי מחקר במקביל: "אחד המסלולים הנבדקים כיום הוא הזרקת תאי כבד לטחול, משם הם מגיעים באמצעות מחזור הדם אל הכבד. הסכנה העיקרית האורבת לתאים העוברים בזרם הדם היא 'לחץ הגזירה' (shear stress), המופעל עליהם וקורע אותם לגזרים. הפולימרים יוצרים מעין כלוב, המגן על התאים הן מפני לחצי הגזירה והן מפני תקיפת תאי מערכת החיסון. יתרון נוסף של הפולימרים הוא עצם היותם חומר ביולוגי, שעובר פירוק לאחר שסיים את תפקידו. "אנו יכולים לשלוט בקצב פירוק הפולימר באמצעות קביעת הרכבו", מדגיש פרופ' ברוך.

מחקריו של ד"ר דרור סליקטר מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון, עוסקים בהנדסת רקמות ורפואה רגנרטיבית, עם דגש על ביו-חומרים וביו-מכניקה. ד"ר סליקטר פיתח פיגום תלת מימדי המבוסס על הידרוג'ל. זהו ג'ל נוזלי, המשלב את שתי התכונות הנחוצות לפיגום הביולוגי – מבנה ותפקוד, ע"י מיזוג שני המרכיבים למקשה אחת. החומר נוסה עד כה בהצלחה בתאי שריר חלק, רקמת סחוס ותרבית תאי לב. תאי השתל מוחדרים אל הג'ל בעודו במצב נוזלי, ועיתוי הפולימריזציה ( הפיכת החומר הנוזלי לפולימר צמיגי) נתון לשליטה. הנוזל מוזרק לחלל מסוים בתוך הכבד, ולאחר מכן מבצעים את הפולימריזציה באופן מקומי בתוך הכבד, באמצעות אור UV, בדומה ליצירת מבנה הסתימה הקשיח אצל רופא השיניים.

 

 

"תפקידי הוא לייצר את הפיגום מסוג של חומר, שייצור לתאים המושתלים את הסביבה שתאפשר את התפתחותם, ולהנדס לתוך הפיגום את התכונות החיוניות להחלמה", אומר ד"ר סליקטר. הפיגום שלו מיוצר מ'פיברינוגן' – חלבון המשתתף בתהליך קרישת הדם. אך בניגוד לפיברינוגן הטבעי, שמתפרק תוך שבועות ספורים, מייצר ד"ר סליקטר פיגום עמיד יותר לפירוק, שקצב פירוקו ניתן לבקרה. איך שולטים בזמן הפירוק? מצליבים את החלבון עם מולקולה סינתטית – פולימר ביורפואי שנקרא 'פוליאתילן גליקול' (PEG). נוצר פיגום ידידותי לתאים במבנה דמוי ספוג, אשר חלליו מאפשרים לתאי השתל להיאחז במצע, להתרבות ולהסתדר במבנה המיוחד האופייני לאיבר. מצד שני, הפיגום עדיין חשוף לפרוטאזות (אנזימים מפרקי חלבון) - 'פלסמין' ו'קולגנז', המפרקות אותו בקצב שנשלט ע"י היחס בין המרכיב הסינתטי למרכיב הביולוגי.
החומר מתחיל כנוזל, שאליו מחדירים את תאי הכבד. מתקבל חומר רך וגמיש המזכיר סוכריית גומי. מזריקים אותו לגוף, ואז גורמים לו להתקשות תחת קרינת אור אולטרה סגול המופקת מ"אקדח" היורה את קרן האור.



ד"ר דרור סליקטריליד סקוטלנד, גדל בישראל ובארה"ב. בעל דוקטורט מאוניברסיטת Georgia Institute of Technology באטלנטה בהנדסה ביו-רפואית. חבר סגל בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון ומנהל מעבדה המתמחה בהנדסת רקמות וביו- חומרים.

לקראת יישום באורתופדיה
גם ד"ר סליקטר מדגיש כי המחקר על הכבד נמצא עדיין בשלב התחלתי. לעומתו, נערך כיום מחקר פרה-קליני מתקדם בשיתוף ד"ר אלי פלד ממחלקה אורתופדית ב' ברמב"ם, ואף הוקמה חברה ליישום אותה טכנולוגיה בהחלמה של פגיעות בסחוסים: מזריקים את החלבון הטבעי 'פיברינוגן' במצולב עם מרכיב סינתטי ישירות למקום הפגיעה. "הטכנולוגיה שלנו מתאימה מאד לטיפול בסחוס שנפגע כתוצאה מטראומה אצל ספורטאים, חיילים או בתאונות", מדגיש ד"ר סליקטר. "אך אין לנו בשורה למחלות ניווניות כמו דלקת פרקים, כי הבעיה שם לא נפתרת בהחלפת הרקמה".

אחת הסיבות להתקדמות המהירה לקראת יישום באורתופדיה היא החדרת שלד הרשת, נטו, ללא תאים, וכך נמנעים הן מהצורך בהצמחת כלי דם להזנת התאים, והן מבעיות דחייה. מחקרי היתכנות נוספים נבדקים באותו פיגום ביולוגי בסוגי תאים נוספים - תאי גזע, לב, שריר חלק ותאי עצב, תוך חיפוש ההתאמה המיוחדת לכל רקמה. "התכונות המכאניות הדרושות להחליף גיד באורתופדיה שונות לחלוטין מהחלפת רקמת לב שנפגעה מחוסר אספקת דם בעקבות התקף לב, כמו גם החלפת רקמת כבד שנפגע משחמת", מדגיש ד"ר סליקטר. 
איך מזהים שהשתל נקלט? בתאי כבד מזהים התארגנות ופעילות מטבולית האופיינית לרקמת כבד; בתאי לב – מזהים התכווצות ספונטנית ובתאי העצב מזהים שלוחות הפורצות מתוך הג'ל, לאחר שמתווים להן את הנתיב הרצוי באמצעות צריבה בלייזר.