ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים

ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים, הוא מצע מלאכותי, המשרה על תאים חיים כיוון לפעילות הקשורה בגדילה, התמיינות או שגשוג (פרוליפרציה). תנאי הסביבה משרים או מעכבים גדילה, התמיינות ושגשוג של תאים חיים. נמצא שתווי המצע עליו גדלים התאים, משפיע על הכוונת הגידול. טופוגרפיית פני השטח של מצע מלאכותי בתרבית תאים, הבנוי מתבליטים, שקערוריות וצורות בסדר גודל ננומטרי, יכולה לכוון את צמיחתם של תאים שונים. בנוסף טופוגרפית פני שטח ננומטרית יכולה לשמש סרגל מדידה ננומטרי להתפתחות תאים על פני המצע. טופוגרפית פני השטח שעל פניה תאים גדלים היא אחת מבין גורמים חיצוניים רבים המשפיעים על התפתחות תאים, כגון גדילה, כיוון הגדילה, מורפולוגיה, התמיינות ושגשוג. תאים מתחלקים, מכפילים את גודלם במהלך מחזור חייהם, כך שבזמן החלוקה גודל התאים כפול מזה שהיה בעת לידתם. תהליך גדילת התאים מתרחש בדייקנות ובסנכרון מלא עם מחזור החיים שלהם. מכיוון שהתאים שומרים על גודלם מחלוקה לחלוקה סביר שתהליך החלוקה והגדילה מתואמים זה עם זה. ביצורים חד תאיים – למשל בשמרים, קיימת מערכת בקרה תוך תאית המאפשרת סנכרון של מנגנון החלוקה. ביצורים רב-תאיים ישנן אותות מחוץ לתא המווסתים את תהליך החלוקה והגדילה. ננוטופוגרפיית פני שטח המיוצרת באופן מלאכותי היא שיטה המאפשרת להתחקות אחר השפעת פני השטח על תהליך ההתפתחות של תאים וכיוון גדילתם. בד בבד שיטה זו מאפשרת מדידה ננומטרית מדויקת של גודל התא במהלך חייו וחישוב קצב גדילת התא בתנאים חיצוניים שונים. מדידה ננומטרית זו מתאפשרת בשל העובדה שגודל תא אאוקריוטי הוא בקנה מידה של עשרות מיקרומטרים בעוד שטופוגרפיית פני השטח היא בקנה מידה של ננומטרים בודדים, שהם כארבע סדרי גודל קטנים מגודל תא בודד. ננוטופוגרפיית פני שטח מיוצרת בדרך כלל באמצעות ננוליתוגרפיה הכוללת: פוטוליתוגרפיה, ליתוגרפיה באמצעות אלומת אלקטרונים או ליתוגרפיה רכה. ניתן ללמוד באמצעות ננוטופוגרפיית פני שטח על כיוון הגדילה של תאי הלב בהשפעת פני שטח עליו גודל התא ובנוסף אילו תנאים חיצוניים הקשורים למצע הגידול מאפשרים שגשוג והתמיינות של אותם תאים. בנוסף, בשיטה זו ניתן לקבוע מהו המצע האידיאלי המאפשר תיקון של רקמת הלב. על ידי יצירת שקעים בגדלים שונים נמצא כי קיימים תנאים אידיאליים להיווצרות סיבים וניתן למדוד את כיוון גדילתם בהשפעת המתווה הננו טופוגרפי כמו כן את כיוון כיווצם. במחקר נמצא ביטוי חלבוני גבוה יותר בגודלי תבניות מסוימות, לדוגמה ביטוי לחלבון C*43 ה-Connexin, אשר מעורב בתהליך ההתלכדות של סיבי השריר. אותו ביטוי היה גבוה הרבה יותר בתבנית שגודלה 800 על 800 ננומטר ולא ב-400 על 400 ננומטר. כמו כן נמצא יישור וסידור השלד התאי (ציטוסקלטון) בתאים שעל גבי מצע משורטט בפסים ברוחב תת-מיקרוני לעומת מצע ללא פסים. בעזרת היכולת למדוד את כיוון הגדילה של התאים על ידי גידולם ומדידת פני השטח שלהם, ניתן לחקור ולהבין את מנגנוני הגדילה השונים. לדוגמה: סיבי שריר שלד גדלים ומתפתחים בכיוון מסוימים בטופוגרפיה בה הם גדלים. הטופוגרפיה בהם הם גדלים היא על בסיס חומרים שונים כגון הידרוגלים (poly ethylene glycol-PEG) הידועים גם בתור אקווהג'לים, הידרוג'לים הם חומרים בעלי רמת ספיחה גבוהה, והם עשויים להכיל מים עד כ-99% ממשקלם; לרוב הם מפגינים רמת גמישות גבוהה הדומה לזו של רקמה חיה בשל כמות המים הניכרת שהם מכילים על כן, הם תשתית הזנה והכוונה טובה לגדילת סיבי התא. מחקרים שונים הראו כי ניתן לשלוט על גדילת תאי העצב ולכוון את גדילתו של התא בעזרת תבניות בגודל ננומטרי. ההכוונה נעשית על ידי חריצים ורכסים בגודל של 100 ננומטר על חומר פולימרי. נמצא שלתא עצב קיימת העדפה לשטח מסוים והוא גדל טוב יותר על שטחים רכסיים מוגבהים ולא בחריצים. על ידי הכוונה זו ניתן למעשה לשלוט על גדילת תאים אלהבאופן זה הוכח כי הננוטופוגרפיה של המטריקס החוץ תאי (extracellular matrix- ECM) משפיע על גדילת תאי העצב על ידי הכוונה מלאכותית זו ניתן לשלוט על גדילת התאים ולהכיר את תכונות תא העצב. תאים סרטניים נבדלים מתאים נורמליים, בין היתר, בתהליכי החלוקה וההתרבות שלהם. כאשר לתא נורמלי יש איתות חיצוני הפוקד עליו להתחלק ולהתרבות, הוא מציית לפקודה, ובמקביל ישנה הפעלה של מעין "מערכת בלמים" יעילה, אשר מגבילה את תהליך ההתרבות. לאחר מספר מחזורי התחלקות התא חוזר למצב מנוחה. בדרך זו מגן הגוף על עצמו מהתחלקות בלתי-מבוקרת של תאים. בתא הסרטני, לעומת זאת, נפגעת "מערכת הבלמים" ובעקבות כך ישנה התרבות בלתי מבוקרת של התא ונוצר גידול סרטני. על ידי מערכת המדידה של ננוטופוגרפית פני שטח ניתן להתחקות אחר הגדילה וההתחלקות של תא סרטני לעומת תא נורמלי בהיבט של ננומטרים ספורים. באמצעות הנתונים ניתן לאמוד שינויים בגודל ובמבנה התאים ובאופן זה לאתר את הפתולוגיות השונות בתא. ניתן לזהות איזה מצע משפיע באיזה אופן על אותה "מערכת בלמים" בתא ובכך, בעתיד, להפעילה גם בתא הסרטני. טופוגרפיה ביוננוטכנולוגיה מעבדה על שבב ננומטר הנדסת רקמות ננוליתוגרפיה ביוננומכניקה ננו-מכניקה Perumal S., Antipova O., Orgel JP. Collagen fibril architecture, domain organization, and triple-helical conformation govern its proteolysis. Proc Natl Acad Sci – PNAS 105 2824-2829, 2008. . Deok-Ho.K. Nanoscale cues regulate the structure and function of macroscopic cardiac tissue constructs. Proc Natl Acad Sci - PNAS . 107, 565-570, 2010. Yim E.K., Reano R.M., Pang S.W., Yee A.F., Chen C.S., Leong K.W. Nanopattern-induced changes in morphology and motility of smooth muscle cells. Biomaterials. 26, 5405-5413, 2005. . Johansson F., Carlberg P., Danielsen N., Montelius L., Kanje M. Axonal outgrowth on nano-imprinted patterns. Biomaterials. 27, 1251-1258, 2006. Jang K.J., Kim M.S., Feltrin D., Jeon N.L., Suh K.Y., Pertz O. Two distinct filopodia populations at the growth cone allow to sense nanotopographical extracellular matrix cues to guide neurite outgrowth. PLoS One .30;5(12) 2010. http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0015966