איבר על שבב

איבר על שבב (באנגלית: Organ-on-a-chip; או בקיצור OC) הוא התקן קטן במיוחד המשמש כלי מחקרי המדמה פעילות פיזיולוגיות של איבר או שילוב של כמה איברים. השבב הוא מצע קשיח בעל מספר שכבות הכולל תרבית תאים ומערכות הובלה מיקרופלואידיות תלת־ממדיות. איבר על השבב הוא ענף בהתפתחות האבולוציונית של מערכות הבנויות על שבבים העשויים ממצעים קשיחים. פיתוח השבבים החל בתחום תעשיית המוליכים למחצה והמיקרואלקטרוניקה עבור אל מערכות אלקטרו-מכניות על שבבים (MEMS) ובהמשך מערכות המשלבות חומרים ביולוגים במערכות אלקטרו-מכניות (Bio-MEMS) ולאחר מכן פיתוח תהליכים מעבדתיים על שבבים- "מעבדה על שבב" (LOC). "איבר על שבב" הוא צעד נוסף בהתפתחות זאת, המשלב את תחומי ה"מעבדה על שבב" והביולוגיה התאית, הכולל את יתרונותיהם של ניסויים במבחנה (in vitro) וניסויים בסביבה החיה (in vivo) גם יחד. מחד, תכנון נכון של השבב מאפשר לדמות את פעילות האיבר באורגניזם השלם באופן מדויק. מאידך, הוא מאפשר ביצוע מחקר פיזיולוגי על איבר ספציפי, המבודד מהשפעות בלתי רצויות מבחינה מחקרית, דבר שקשה לבצעו באורגניזם השלם. תקוות מפתחי הטכנולוגיה היא ששבבי OC יוכלו בעתיד להחליף חיות מעבדה בתהליכי פיתוח תרופות ובדיקת רעלנים. שבבי OC נמצאים במוקד של מחקרים ביו-הנדסיים רבים, ובמיוחד בתחום ה-Bio-MEMS. בספרות המדעית פורסמו לא מעט מחקרים המתארים מידול של תפקוד-איברי על שבבי OC. האיברים שהודמו עד היום כוללים: לב, ריאה, כליה, עורק, עצם, סחוס, עור, כבד, עין, מוח ועוד. עם זאת, התחום עדיין בתחילת פיתוחו, וישנן גישות ושיטות שונות בתכנון ואופן ייצור השבבים הללו. לפיכך צפוי תהליך ממושך עד לקבלת תוצר מוגמר שיפעל כראוי. בנוסף, דבר המקשה על תכנון שבבי דימות מדויקים הוא שנדרש ידע רב לגבי תגובת האיבר לאינספור מצבים וגירויים שונים. עם התקדמות ההבנה של התפקוד האיברי בחיה השלמה יוכלו להמשיך ולשכלל את מערכות ה-OC על מנת שידמו את האיברים בצורה נכונה יותר. מערכות איבר על שבב נועדו לדמות את הפעילות הביוכימית, המכנית ואף הפיזיולוגית של איברים אנושיים. יתירה מזו, ניתן לייצר מספר שבבים, המדמים כל אחד פעילות של איבר שונה ולחבר ביניהם כדי לדמות סביבה טבעית שבה מתקיימת אינטראקציה בין איברים שונים. פסגת השאיפות של שיטה זו היא ליצור "אדם על שבב" שיכלול בתוכו מערכת של צ'יפים המדמים את כל איברי האדם ואת היחסים ביניהם. השיטה מיושמת במערכות ממוזערות שפותחו מתחילה בתחום ה"מעבדה על שבב", כלומר, שבבים המבצעים אנליזה או מספר אנליזות מעבדתיות. שבבים אלו בנויים ממצע קשיח (כגון, פולימרים, זכוכית או צורן) והם כוללים מיכלים (chambers) שבהם ניתן לגדל תרבית רקמה תלת-ממדית. כדי לקיים תרבית רקמה לזמן ממושך, יש צורך באספקה מתמשכת של נוטריינטים ובסילוק פסולת. תהליכי ההובלה הללו נעשים בעזרת צינוריות מיקרופלואידיות, המובילות חומרים בנפחים מזעריים של נוזל בתוך השבב. הזרימה בצינוריות יכולה להיות קבועה או מבוקרת ומווסתת בעזרת מפסקים מכניים. יתרון הזרימה הקבועה הוא פשטות יצירת המערכת, ולעומת זאת, הוספת מפסקים מקנה מורכבות וגמישות למערכת הניסויית. מעבדה על שבב המידות הקטנות של השבב מאפשרות חיסכון בעלות הייצור ומאפשרות קלות רבה בניוד ההתקן. הנפחים הקטנים במערכת המיקרופלואידית מאפשרים חיסכון ניכר בכל החומרים אשר בהתקן ומפחיתים את כמות הפסולת שיש לסלק ממנה. השימוש בכמויות חומר קטנות חשוב במיוחד בניסויים שבהם נעזרים בחומרים מסוכנים לחוקר ולסביבה או חומרים יקרים במיוחד. בהזרמת נוזלים בנפחים קטנים מתקבלת זרימה שכבתית (למינארית), המונעת ערבול של הנוזל. תכונה זו מאפשרת לנוזלים לזרום במהירות וגם לשמור על זרימה קבועה לאורך צינוריות ההובלה ובתרבית הרקמה במהלך הניסוי. בנוסף לכך, היא מאפשרת ליצור שינויים חדים (יצירת פונקציית מדרגה) ברמתו של חומר כימי מסוים במערכת על ידי התחלת או הפסקת הזרמתו באופן פתאומי. יכולת שליטה זו שימשה למחקר ביולוגי מתקדם בתחומים מגוונים. לדוגמה: תנועה תאית בתגובה לגירוי כימי, התמיינות תאי גזע, הכוונת שלוחות תאי עצב, מעבר אותות בתוך התא, והתפתחות תאית. המזעור של הרכיבים אשר בתוך השבב מאפשר לדחוס כמות גדולה של רכיבים בהתקן ולחבר ביניהם כדי לקבל תכלול ומקבול של תהליכים, כפי שקורה באיברים רבים. מערכת תלת-ממדית מתקדמת לתרביות רקמה תלת-ממדיות יתרון גדול לעומת תרביות דו-ממדיות. חופש התאים להתארגן בצורה תלת־ממדית בתיווך המטריצה הבין-תאית מאפשר ליצור אינטראקציות בין תאיות ולעצב את מבנה הרקמה. כך מתאפשרת רמה נוספת של התמיינות תאים וארגון הרקמה. עם זאת, גם לתרביות הרקמה התלת-ממדיות המפותחות ביותר ישנן מגבלות ואינן יכולות לדמות היבטים שונים של איבר אמיתי. היבטים אלו כוללים ממשקים בין רקמות, שינויים הדרגתיים בריכוזי כימיקליים לפי זמן ו/או מיקום ברקמה, מיקרו-סביבות בעלות פעילות מכנית (כמו כלי דם בעלי יכולת התכווצות והתרחבות) והשפעות הדדיות בין איברים. מכאן החשיבות לשיטת "איבר על שבב" אשר נועדה להתגבר על מגוון החסרונות הקיימים בתרביות רקמה מחד ובחיה השלמה מאידך. ריאה מערכת איבר על שבב מדמה פעילות של היחידה הבסיסית של הריאה, שהיא הממשק בין הנים לנאדית. הושם דגש רב על יצירת מערכת המדמה במידת האפשר את המצב הפיזיולוגי של ריאה אנושית, בדגש על הדמיה מבנית, תפקודית ומכנית נאותה. ממברנה מלאכותית אלסטית מצופה בשכבת תאי אפיתל של נאדית, מצידה האחד, ושכבת תאי אנדותל של הנים, מצידה השני, יכולה לדמות את ממשק הנים לנאדית. הממברנה נתונה במבנה בו היא מהווה חציצה בין מערכת מיקרופלואידית בה זורם גז הנשימה מן הצד בו הממברנה מצופה בתאי האפיתל ומערכת זרימת דם מהצד בו הממברנה מצופה בתאי אנדותל. חשיבות של שבבים אלה היא ביישומם בחקר מחלות דלקת ריאתית וזיהום פולמנארי ובמחקר טוקסוקולוגי של פעילות הריאות בהשפעת נשימת רעלנים. לב חוקרים הצליחו לייצר מערכת מיקרופלואידית המכילה קרדיומיוציטים, שתפקידם בחיה השלימה לייצר אותות המווסתים את קצב פעילות הלב. בבניית "לב על שבב" החוקרים נתקלו לא אחת בבעיות בחיקוי התכווצות ותגובות אלקטרופיזיולוגיות, בשל מורכבות פיתוח מערכת שאינה סטטית. כליה קבוצות מחקר שונות פועלות להדמות תאים כלייתיים ונפרונים במכשירים מיקרופלואידיים. כיום ישנן מספר תוכניות מחקר לדימות הנפרון המהווה את היחידה הבסיסית של הכליה, התקנים אלו נקראו "נפרון על שבב". ישנם שני כיוונים עתידיים ל"כליה-על שבב": א. מחקר על תפקוד פיזיולוגי של הכליה כאיבר. ב. פתוח "כליה על שבב" כחלק מהמאמצים לפתח כליה מלאכותית, אשר תוכל בבוא העת לפצות על אי-ספיקה של כליה אנושית. הרצון להיפטר מן הסרבול והקושי במכונות דיאליזה גורמת להשקעת מאמצים בפיתוח כליה מלאכותית באמצעות תהליכי מזעור. הצפי לעתיד הוא פיתוח כליה מלאכותית קטנה, ניידת ואף בת־השתלה. עורק מערכות מיקרופלואידיות המדמות את התגובות הפיזילוגיות של עורקים צפויות לשמש מערכת בדיקה של השפעת תרופות על המערכת הקרדיו-ווסקולארית וגם בחקירת השינויים הפתולוגיים החלים בעורקים. מחלות קרדיו-ווסקולאריות נגרמות, לעיתים קרובות, על ידי שינויים קטנים במבנה ובתפקוד של כלי דם קטנים. פיתוח של "עורק על שבב" יאפשר ליצור מערכת המדמה רכיבים זעירים ורגישים כאלו. ואכן, כיום כבר ישנם מערכות עורק על שבב המכילים תאי שריר חלקים ותאים אנדותליים. כבד מערכות "כבד על שבב" נמצאות בפיתוח בכמה קבוצות מחקר שכבר הצליחו לפתח שבבים המדמים יחידות תפקודיות בכבד הכוללות בין השאר הפטוציטים (תאי כבד), פיברובלסטים, תאי אנדותל ותאי סינוס של כיס המרה. פיתוח נוסף הוא בתחום מחקר פתוגנים. קבוצת מחקר הצליחה לייצר "כבד על שבב” הבנוי מתצורה תלת-ממדת של תאים הפטוציטיים. המחקר שלהם התמקד במחזור החיים של הווירוס הפטיטיס C, הגדל בתאי כבד. נקודת הצלחה בעבודתם היא עקיפת הצורך להשתמש בתרביות תאים סרטניים (הפאטומה), שאינם מדמים כהלכה את הפעילות התקינה של האיבר. עין פותחה מערכת תרבית רקמה על שבב לגידול מיקרו-רקמות דמויי-קרנית, היכולות לשמש לסריקת רעילות של תרופות. בפיתוח זה השתמשו במצע PDMS שעליו שתי שכבות של קולגן ויטריג'ל (CV) המשמשים כמצע לייצור רקמת האפיתל של הקרניות. מקבעים את ה-CV על השבב על ידי דה-הידרציה בעזרת וואקום, כאשר חלקו של הקולגן ישמש לתמיכה במבנה הקרנית וחלקו פונקציונלי בשבב. השלמת התהליך מבוצעת על ידי רה-הידרציה של הקולגן אשר יוצרת כעין-ג'ל אשר מהווה את הבסיס לתרבית תאי הקרנית. שתי שכבות של קולגן שימשו בסיס ליצירת רקמת אפיתל דו-שכבתית על ידי חיבור תאי האפיתל לכל אחת משכבות הקולגן. בתווך הוכנס הנוזל ותאי סטרומה המחברים בין שתי שכבות האפיתל. לאחר מכן ניתן להסיר את הרבדים של הקולגן אשר אין בהם צורך ונועדו רק לתמיכה מבנית לייצור הרקמה ולבצע בדיקות שונות על רקמת הקרנית. בחנו את יעילות המערכת על ידי ביצוע מבחן חדירות אפיתליית (TEP) כדי לראות את עמידותם ושלימותם של המיקרו-קרניות שנוצרו. השיטה הזו בעלת פוטנציאל להחליף את מבחן דרייז (draize test) שמשתמש בארנבות לבחינת רגישות העין לחומרים שונים. מוח מההיבט המחקרי, המוח הוא האיבר המורכב ביותר באדם. המחקר במידול "מוח על שבב” מתמקד כיום בהדמיית מאפיינים מוגדרים של תפקוד מוחי; לדוגמה – ממשק אקסון-גליה. חוקרים מטקסס ייצרו שבב המאפשר לחקור ממשקים בין-תאיים במוח. הם רצו ליצור מערכת שבה יוכלו לחקור את תהליך המיאלינציה באקסונים של תאי עצב. מיאלינציה הוא תהליך שבו האקסונים נעטפים במיאלין, שהוא חומר דיאלקטרי החשוב לתפקודם של תאי העצב. בתחילת תהליך המיאלינציה האקסונים חסרי-המיאלין מתפשטים מהסומה של תא העצב ויוצרים מגע עם תא אחר במוח ואז מתחילה המיאלינציה. החוקרים עבדו עם תאי עצב ממערכת העצבים המרכזית אשר עוברים מיאלינציה על ידי תאי גליה מסוג אוליגודנדרוציטים. ככל הנראה ההשפעה כאן היא הדדית: בהתחלה האקסון גורם לאוליגודנדרוציט להתמיין לתא אוליגודנדרוציט בוגר ואז המיאלינציה מתרחשת. בשבב שנבנה הניחו החוקרים את הסומה בבארית אחת ואת האוליגודנדרוציטים בבארית אחרת וביניהם יצרו תעלה שדרכה יוכלו האקסונים להתפשט. הפרדה זו נעשתה כדי לדמות מצב שבו אקסונים עוברים אינטראקציה עם אוליגודנדרוציטים במרחק רב מן הסומה, כך שהסומה אינה משפיעה על אינטראקציה זו. לאחר חודש של גידול התאים יחד ראו שהאקסונים התפשטו דרך התעלות והם אכן הצליחו להגיע אל תאי הגליה. בכך הם הכתירו כהצלחה את השבב כמערכת המאפשרת לחקור אינטראקציית אקסון-גליה. סרטן על שבב תהליך התפתחות סרטן מושפע רבות מהסביבה שבה מתפתח הגידול ומהמיקרו-סביבה שבתוך הגידול. היכולת לזהות ולהבין תהליכים תאיים ומולקולאריים ברקמה סרטנית קשה ומוגבלת בשל מחסור בתרביות המדמות כיאות את הסביבה הטבעית של הגידול ואת התהליכים הפיזיולוגיים אשר בו. ייצור מערכות "סרטן על שבב" יכול לסייע בדימות תופעות ברמת הרקמה תוך שמירה על תכונותיה של הרקמה ברמת המיקרו, כגון נוכחות אותות תאיים על ידי מתן חומרים כימיים בריכוזים מדויקים, שמירת התפקוד של המטריצה החוץ תאית ושימור התכולה התוך-תאית הטבעית של תאי הסרטן. מספר מערכות איבר על שבב נבנו עד כה על מנת לגדל רקמות סרטניות לשם מחקר רפואי. חלקן נועדו לבחון את הגדילה של הרקמה הסרטנית וחלקן נועדו לדמות פעילות פתופיזיולוגית שלה, כדוגמת אנגיוגנזה או תנועת גרורות. כמובן, בשתי השיטות ניתן לבחון את ההשפעה של מצבים ביוכימיים ספציפיים והשפעה תרופתית על הרקמה הסרטנית. בכך תאפשר טכנולוגיית "סרטן על שבב" להמשיך את פיתוח המחקר הin vitro באופן שידמה את הגידול והפעילות הטבעית של הרקמה הסרטנית. כיום ישנם, כאמור, מספר רב של סוגי "איבר על שבב” המחקים פעילות של איבר או יחידה פונקציונלית של איבר. מערכות כאלה, בהיותם מודלים סבירים לפעילות כלל-איברית, לוקים בחסר במחקר של השפעות כלל-גופיות, למשל, השפעות פרמקולוגיות או טוקסיקולוגיות של חומרים ביוכימיים על כלל מערכות הגוף. קבוצות מחקר רבות פועלות לבניית התקן של תרבית תאים בעלת מערכת מיקרופלואידית רב-ערוצית ותלת־ממדית המחולקות למיקרו-נישות. כל מיקרו-נישה כזאת תכיל תרבית או כמה תרביות תאים המדמות איבר בגוף. עם התקדמות הפיתוח של שבבי "אדם על שבב”, יהיה כלי מחקרי שיאפשר לבחון את ההשפעות הישירות של איבר אחד על איבר אחר במחקר רפואי. בנוסף, החזון במחקר ופיתוח תרופות, הוא לפתח מערכת אנליטית שתדע לסרוק מגוון חומרים תרופתיים ותוכל לגלות את החומר אשר משפיע באופן מקסימלי על איבר המטרה ובו בזמן גורם לתופעת לוואי מינימליות. כיום חברות תרופות נמנעות מלהשתמש בסוגים שונים "איבר על שבב” עקב החיסרון של הדמיה כלל-גופית. אחת הבעיות המרכזיות במערכות "אדם על שבב” היא שמורכבות הפיתוח שלהן גדלה באופן מעריכי ביחס לאמינות הדימות שלהן. אחד מהתורמים לקושי בפיתוח הוא הצורך לפתח מערכות דימות דינאמיות, כגון מערכת "דם", שצריכה לאפשר זרימת נוזל והפרעות מכניות בו זמנית. וכפי שאמר חוקר מאוניברסיטת מישיגן: "כל דבר שדורש שליטה דינמית ולא רק סטטית הוא פשוט אתגר". בשלבים המוקדמים של פיתוח תרופות, הדרך היחידה לחקור השפעות פרמקוקינטיות של תרופות היא בחיות מודל. עם זאת, ניסויים בבעלי החיים הם ארוכים, יקרים ואף שנויים במחלוקת מבחינה מוסרית. לדוגמה, במודלים של בעלי חיים, לעיתים קרובות החיות חשופות לשיטות מכניות או כימיות המדמות פציעות. בנוסף לכך, ישנן חששות ביחס לתקפותם של הניסויים בחיות מודל, בשל הספק ביחס ליכולת לבצע השלכה מהן לאדם. יתר על כן, מודלים של בעלי החיים מציעים שליטה מאוד מוגבלת במספר משתנים בודדים, והניסיון לדלות מידע ספציפי מתוך הרעש במערכת זו הוא תהליך מסורבל וארוך. הפיתוח של ביו-שבבים, מבוססי-MEMS ועקרונות מיקרופלואידיים, המדמים תגובות ברמות מורכבות של איברים ומערכות פתולוגיות, יכול לחולל מהפכה בתחומים רבים, כולל בתחומי הטוקסיקולוגיה, הפרמצטיקה והקוסמטיקה, המסתמכים על ניסויים בבעלי החיים ומחקרים קליניים. בעתיד, עם פיתוח שבבים מורכבים יותר וזולים יותר, יש תקווה שהם יחליפו את הצורך בניסויים בבע"ח. ביוננוטכנולוגיה ביו-שבב ננו רפואה מעבדה על שבב מיקרופלואידיקה מדיה וקבצים בנושא איבר על שבב בוויקישיתוף אקונומיסט, מדענים מייצרים איברים על שבב ומקווים לברוא מחדש את גוף האדם, באתר הארץ, 19 ביוני 2015 Huh, D., Hamilton, G. A., & Ingber, D. E. (2011). From 3D cell culture to organs-on-chips.Trends in cell biology, 21(12), 745–54. . Keith E. Herold and Avraham Rasooly. Lab-on-a-Chip Technology : Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press, 2009 . Huh, D., Torisawa, Y., Hamilton, G. A., Kim, H. J., & Ingber, D. E. (2012). Microengineered physiological biomimicry: organs-on-chips. Lab on a chip, 12(12), 2156–64. . Diviya D. Nalayanda, Christopher Puleo, William B. Fulton, Leilani M. Sharpe, Tza-Huei Wang, Fizan Abdullah (2009), “An open-access microfluidic model for lung-specific functional studies at an air-liquid interface . D. Huh, B. D. Matthews, A. Mammoto, M. Montoya-Zavala, H. Y. Hsin, D. E. Ingber (2010), “Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip E. Weinberg, M. Kaazempur-Mofrad, J. Borenstein (2008), “Concept and computational design for a bioartificial nephron-on-a-chip” Cruz D, Bellomo R, Kellum JA, De Cal M, Ronco C. The future of extracorporeal support. Crit Care Med 2008;36(4 Suppl):S243-52 C. Ronco, A. Davenport, V. Gura (2011), The future of the artificial kidney: moving towards wearable and miniaturized devices A. Gunther, S. Yasotharan, A. Vagaon, C. Lochovsky, S. Pinto, J. Yang, C. Lau, J. Voigtlaender-Bolz, S. Bolz (2010), “A microfluidic platform for probing small artery structure and function Persistent hepatitis C virus infection in microscale primary human hepatocyte cultures.Ploss A, Khetani SR, Jones CT, Syder AJ, Trehan K, Gaysinskaya VA, Mu K, Ritola K, Rice CM, Bhatia SN. Hsu, Y.-H., Moya, M. L., Hughes, C., George, S. C., & Lee, A. (2013). A microfluidic platform for generating large-scale nearly identical human microphysiological system arrays. Lab on a Chip Kahn & Walker, 1993; Kahn, et al., 1993; Kruszewski, et al., 1995; 1997; Ward, et al., 1997; 2000; 2003 Microfluidic compartmentalized co-culture platform for CNS axon myelination research. Jaewon Park & Hisami Koito & Jianrong Li & Arum Han Delnero, P., Song, Y. H., & Fischbach, C. (2013). Microengineered tumor models: insights & opportunities from a physical sciences-oncology perspective. Biomedical microdevices. R. Sudo et al. Transport-mediated angiogenesis in 3D epithelial coculture. FASEB J., 23 (2009), pp. 2155–2164 Kim, C., Chung, S., Yuchun, L., Kim, M.-C., Chan, J. K. Y., Asada, H. H., & Kamm, R. D. (2012). In vitro angiogenesis assay for the study of cell-encapsulation therapy. Lab on a chip, 12(16), 2942–50. doi:10.1039/c2lc40182g S. Chung et al. Cell migration into scaffolds under co-culture conditions in a microfluidic platform. Lab. Chip, 9 (2009), pp. 269–275 K.E. Sung et al. Transition to invasion in breast cancer: a microfluidic in vitro model enables examination of spatial and temporal effects Integr. Biol. (Camb), 3 (2011), pp. 439–450 J.W. Song et al. Microfluidic endothelium for studying the intravascular adhesion of metastatic breast cancer cells PLoS ONE, 4 (2009), p. e5756 דוגמה למודל ראשוני, C. Zhang, Z. Zhao, N. Rahim, D. Noort, H. Yu (2009), Towards a human-on-chip: Culturing multiple cell types on a chip with compartmentalized microenvironments Monya Baker (2011), Tissue models: A living system on a chip, Nature 471, 661-665 Roberts et al. (2002), Does animal experimentation inform human healthcare? Observations form a systematic review of international animal experiments on fluid resuscitation M.B. Esch et al. The role of body-on-a-chip devices in drug and toxicity studies. Annu. Rev. Biomed. Eng., 13 (2011), pp. 55–72