מחקרים

המחקר, בהובלת פרופ' יעל חנין, ראשת המרכז לננו-מדע וננוטכנולוגיה של אוניברסיטת תל אביב, בוצע במסגרת פרויקט אירופי ובתמיכה חלקית של מאגד BSMT של משרד הכלכלה, והוא יוצג במסגרת סדנת מחקר בינלאומית בתחום הננו-רפואה שנפתחת היום באוניברסיטת תל אביב

ממיפוי רגשות ועד להפעלת פרוטזות

יישום אפשרי בולט של המדבקה, שנמצא כיום בתהליכי פיתוח, הוא מיפוי רגשות. "ליכולת לזהות ולמפות את רגשותיהם של בני אדם יש שימושים פוטנציאליים רבים," אומרת פרופ' חנין. "מפרסמים, עורכי סקרים, אנשי תקשורת - כולם מעוניינים לבחון את תגובותיהם של אנשים למוצרים ולמצבים שונים. כיום, בהיעדר כלי מדידה מדעיים מדויקים יותר, הם מסתמכים בעיקר על שאלונים סובייקטיביים. במקביל מנסים חוקרים רבים בעולם לפתח שיטות למיפוי רגשות על ידי ניתוח הבעות פנים, בעיקר על סמך צילומי פנים ותוכנות חכמות. המדבקה שלנו יכולה לתת מענה פשוט ונוח: ניטור הבעות ורגשות על פי האותות החשמליים המתקבלים משרירי הפנים."

לדברי פרופ' חנין, זו רק ההתחלה. למדבקה החדשנית צפויים עוד יישומים רבים: מחקר שהושק לאחרונה עם חוקרים בבית החולים איכילוב, עוקב בעזרתה אחר הפעלת השרירים אצל חולים במחלות נוירו-דגנרטיביות, בזמני ערות ושינה; בתחום התחבורה, ניתן יהיה לנטר מדדים פיזיולוגיים המעידים על ערנותם של נהגים, על ידי הצמדתה לשרירים מסוימים; בתחום השיקום, היא עשויה לסייע לפגועי מוח לשפר את השליטה בשריריהם, ולקטועי גפיים להפעיל פרוטזות באמצעות שרירים שנותרו בגדם; בניתוחי מוח, היא תאפשר לרופאים לעקוב אחר הפעילות המוחית והערנות של החולים.

ננוטכנולוגיה וקעקועי ילדים

המדבקה האלקטרונית רבת הפוטנציאל מבוססת על שילוב מפתיע בין ננוטכנולוגיה מתקדמת למוצר בסיסי ביותר: הקעקועים הזמניים שילדים אוהבים. "התבססנו על חומרים זמינים ועל שיטות הדפסה תעשייתיות מקובלות, על מנת לקצר ככל האפשר את תהליכי הפיתוח," אומרת פרופ' חנין. "המדבקה עשויה משלושה חלקים: אלקטרודות פחמן, משטח דביק המשמש להדבקת קעקועים זמניים על העור, וציפוי ננוטכנולוגי – פולימר מוליך עם טופוגרפיית ננו, שמשפר את ביצועי האלקטרודות. התוצאה היא מדבקה אלקטרונית יעילה, שמקליטה אות יציב וחזק במשך שעות, ואינה מגרה את העור. מבחינת המשתמש מדובר במדבקה פשוטה שהוא מצמיד לעור בנקודה המתאימה, בשיטת 'הדבק ושכח'. כעת הוא יכול להמשיך בפעילותו הימיומית כרגיל, בשעה שהמדבקה מודדת ומקליטה את עוצמת הפעילות בשרירים."

ריפוי פצעים, נשאי תרופות, חיישנים ושתלים רובוטים בסדנת המחקר הבינלאומית

המדבקה החדשנית תוצג כאמור לראשונה במסגרת סדנת מחקר בינלאומית בתחום הננו-רפואה, הנפתחת ב-20 ביוני באוניברסיטת תל אביב  ותימשך עד ה-23 ביוני 2016. בסדנה ישתתפו עשרות תלמידי מחקר וחוקרים מובילים ממיטב האוניברסיטאות בעולם בהן: הרווארד, קרנגי מלון, אוניברסיטת שיקגו ואוניברסיטת מישיגן, לצד מוסדות מחקר מובילים בישראל ובאיטליה. בין הנושאים שיידונו בסדנה: ריפוי פצעים, נשאי תרופות, חיישנים, שתלים רובוטיים, אמצעי חישה, התקנים ננומטריים והדפסת רקמות בתלת מימד. IEEE, הארגון האמריקאי המוביל בתחום הנדסת החשמל, הכיר בחשיבות הסדנה, והעניק למארגניה מענק ראשון מסוגו.

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מציעים הסבר חדש ומפתיע לאנטומיה הייחודית של בית החזה של האדם הניאנדרטלי. את המחקר החדש ערכו הדוקטורנט מיקי בן-דור, פרופ' רן ברקאי ופרופ' אבי גופר מהחוג לארכיאולוגיה באוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי American Journal of Physical Anthropology.

האדם הניאנדרטלי הוא סוג של אדם שהיה נפוץ באירופה ובמזרח התיכון, לרבות בארץ ישראל. הניאנדרטלים האחרונים נכחדו לפני כ-30-40 אלף שנה. "האדם הניאנדרטלי היה שונה מבחינה אנטומית מהאדם המודרני, ההומו ספיינס", מסביר הדוקטורנט מיקי בן-דור. "בין היתר, יש להם בית חזה שונה משלנו, שמתרחב בחלקו התחתון כמו פעמון. עד כה, התיאוריות המקובלות היו שבית החזה של הניאנדרטלים היה גדול כי הם היו כבדים מאתנו והיו צריכים לצוד חיות גדולות בקור האירופי של תקופת הקרח, ועל כן היו זקוקים לתפוקה גבוהה יותר של הריאות. אלא שהחלק הרחב של בית הצלעות לא נמצא כלל באזור הריאות, אלא באזור הכבד".

הכבד היה כבד יותר

לפי ההסבר החדש שמציעים החוקרים, המפתח להבנת האנטומיה של הניאנדרטלים נמצא בתזונה שלהם. "מאחר שמקורנו בקופים, שאכלו בעיקר תזונה צמחית, אנו בני האדם לא מסוגלים לעכל כמות בלתי מוגבלת של חלבון", אומר בן-דור. "הומו ספיינס מסוגלים לקבל מחלבון כשליש מהקלוריות הנחוצות להם ליום, בעוד שאר הקלוריות מגיעות ממקורות אחרים, בעיקר משומן וממזון צמחי. נאנדרתלים, בשל מימדי גופם וחייהם באקלים קר, נדרשו לאספקת קלוריות גבוהה מזו של בני אדם מודרניים, ולכן מגבלת עיכול החלבון היוותה עבורם אילוץ בעייתי ביותר".

לפי ההסבר החדש שמציעים החוקרים, הכבד של האדם הניאנדרטלי היה גדול משמעותית מהכבד שלנו, ההומו ספיינס, כדי לאפשר עיבוד מוגבר של חלבון לאנרגיה, היפותזה שיכולה להסביר את הצורה המיוחדת של בית החזה שלו. "הניאנדרטלים חיו באירופה בתקופות קרח בעידן הפלייסטוקן", אומר פרופ' רן ברקאי. "בעת ההיא קרח כיסה את האדמה לתקופות ארוכות. לניאנדרטלים היה קשה עד בלתי אפשרי להשיג מזון צמחי, כך שהם היו תלויים מאוד במזון מהחי, בעיקר מבעלי חיים גדולים, בדגש על ממותות. אך כמות השומן בכל זאת היתה מוגבלת, בזמן שכמויות בשר גדולות היו זמינות לניאנדרטלים. אנחנו טוענים שההתאמה של הניאנדרטל לסביבה שבה כמות החלבון הייתה גבוהה נועדה לאפשר צריכה גבוהה של חלבון מבשר כך שהכבד, הכליות ושלפוחית השתן גדלו, ואיתם גם בית החזה בחלקו התחתון. בעצם אנחנו טוענים שמדובר באדפטציה, הסתגלות אנטומית שנוצרה כתוצאה מלחץ סביבתי של מחסור בשומן ובפחמימות, וזמינות גבוהה יחסית של חלבון".

היתרון האבולוציוני לעיכול בשר הפך בהמשך לחיסרון

"יש פה חיבור של מספר גופי מידע קיימים ומוכרים על דיאטה, סביבה, אקלים ואנטומיה, חיבור שהניב הסבר חדש", מסביר פרופ' אבי גופר. "צריך לזכור שמוצא הניאנדרטלים באב משותף להם ולנו, שהתקיים ככל הנראה באפריקה. שם הדיאטה היתה מגוונת. באירופה הפרה-היסטורית הקרה המצב היה שונה מאוד. ואז, בתהליך של ברירה טבעית, לפרטים שנולדו עם יכולת פיזיולוגית טובה יותר לעכל בשר, כלומר פרטים עם כבד מוגדל, היה יתרון אבולוציוני. והם אלה שהיוו את הבסיס לשושלת הניאנדרטלית".

זה היה פתרון אבולוציוני מוצלח. עד שנכחדו לפני כ-30-40 אלף שנה, הניאנדרטלים שגשגו בין 200 ל-300 אלף שנה. אמנם הכחדותם אינו הנושא הראשי של המאמר, אבל החוקרים מציעים שיש קשר בין היכחדות הניאנדרטל להיכחדותם של בעלי החיים הגדולים, שהחלה לפני כ-50 אלף שנה. "אנחנו סבורים שהאדפטציה האנטומית שהצגנו, אדפטציה שהיתה מתאימה לסביבה עם זמינות גבוהה של חלבון ושומן מחיות גדולות, הפכה ללא מספקת עם היעלמותם של בעלי החיים הגדולים", אומר פרופ' ברקאי. "אז גם הכבד הגדול יחסית של הניאנדרטל, שהותאם לטפל בכמות גדולה של חלבון, לא הצליח לספק לו את רמת האנרגיה הדרושה כדי לשרוד".

חוקרים באוניברסיטת תל אביב הנדסו לב ביוני בעל יכולות משופרות, הבנוי מתאי שריר לב, ביו-חומרים וננו-אלקטרוניקה, שמאפשר מעקב אונליין אחר הפעילות הלבבית, וכולל אלגוריתמים להתמודדות עם כשלים לבביים. מאחורי פריצת הדרך ההנדסית עומד צוות חוקרים בראשותו של ד"ר טל דביר מהמחלקות לביוטכנולוגיה, מדע והנדסת חומרים והמכון לננו-טכנולוגיה באוניברסיטת תל אביב. תוצאות המחקר פורץ הדרך התפרסמו בכתב העת היוקרתי Nature Materials.

מחלות לב הן גורם התמותה המוביל במדינות המערב, ומבין אלו אוטם שריר הלב הוא הנפוץ מכולן. התקף לב, או בשמו הרפואי: אוטם שריר הלב, קורה כשאחד מן העורקים הכליליים המזינים את הלב נחסם, ועקב כך חמצן לא מגיע לרקמת שריר הלב. תאי השריר המתים יוצרים רקמה צלקתית שלא מסוגלת עוד להתכווץ ולשלוח דם וחמצן אל שאר הגוף.

"הסטטיסטיקה אומרת ש-50% מאלה שעברו התקף לב חמור ימותו תוך 5 שנים מההתקף", אומר ד"ר טל דביר. "מה שאנחנו מנסים לעשות במעבדה שלנו זה לייצר תחליפי רקמות לאיברים פנימיים בכלל, ובפרט להנדס את רקמת שריר הלב. כיום, אם מישהו עובר התקף לב חמור, אין יותר מידי מה לעשות מלבד להשתיל בו לב חדש. מאחר שיש מחסור בתורמים, אנחנו במעבדה שלנו מנסים להנדס פתרונות חדשים ולבנות רקמות חדשות".

רקמה אנושית אחת חיה

ככלל, רקמות מורכבות מתאים ומהחומר החוץ-תאי, שמקשר בין התאים מבחינה כימית, מכנית וחשמלית. "בעצם, החומר החוץ-תאי הוא זה שהופך אוסף של תאים לרקמה מתפקדת", מסביר ד"ר דביר. "אנחנו במעבדה מנסים לשחזר את אותו חומר חוץ-תאי בצורה סינתטית. אנחנו לומדים את התכונות השונות של הרקמה הביולוגית, ואז פועלים בשיטה של הנדסה הפוכה. אנחנו לא סתם מהנדסים ביו-חומרים, אנחנו בודקים איך תאים שאנחנו זורעים על אותו ביו-חומר מתארגנים מחדש לידי רקמה: איך הם מתכווצים, איך הם מעבירים סיגנלים חשמליים וכך הלאה".

אלא שבהנדסת רקמת שריר לב מפולימרים סינתטיים יש כמה בעיות. אחת מהן היא המערכת החיסונית של החולה, שעלולה לדחות את ההשתלה. הפתרון שד"ר דביר ועמיתיו מצאו הוא להשתמש בביו-חומרים מהחולה עצמו. "מטבע הדברים, אין משהו מותאם יותר לחולה מאשר החומרים שלו עצמו. במקום ליצור אותם בצורה סינתטית, בעבר הצלחנו ליצור טלאי לב המבוססים על ביו-חומרים ותאי גזע המגיעים מהחולה. כך באפשרותנו לצור טלאי שריר לב עצמי לחלוטין".

מעקב אונליין אחר פעילות הלב

הפיתוח האחרון, והשאפתני ביותר, של ד"ר דביר והדוקטורנט רון פיינר הוא שילוב של רכיבים אלקטרוניים ברקמות המהונדסות. "הרעיון הוא לערוך מעקב אונליין אחר פעילות הלב בעזרת הננו-אלקטרוניקה, וכשצריך, לקצוב את פעילות הרקמה המהונדסת, ואפילו לשחרר תרופות בלחיצת כפתור בעזרת פולימרים מיוחדים שפיתחנו", אומר ד"ר דביר. "למשל, אם הרקמה מאותתת שיש דלקת, ניתן לשחרר תרופה אנטי-דלקתית. אם הרקמה מדווחת שקיים מחסור בחמצן, אנחנו יכולים לשחרר ביו-פקטורים שמושכים תאי גזע לבניית כלי דם נוספים. כל זה בזמן אמת. יושב לו החולה בבית ולא מרגיש טוב. הרופא מקבל ביפר, נכנס למחשב ורואה את מצב הלב. משם הוא מחליט על טיפול מרחוק.

רגולוציה עצמית במקום רופא צמוד

"למעשה, לאחר ההשתלה אנחנו כבר לא ממש צריכים את הרופא, כי הלב הביוני עושה רגולציה לעצמו. ניתן לכתוב לו תוכנה, קוד, שמורה לו כיצד לנהוג. לדוגמא, כאשר הרקמה המהונדסת מרגישה פחות משישים התכווצויות בדקה - היא מספקת את הסיגנל להתכווץ בתדירות הרצויה. לא צריך לחכות לרופא. הפיתוח הזה הוא פריצת דרך. כי עד עכשיו רקמות מלאכותיות כאלו, בכל תחום הנדסת הרקמות, לא היו מסוגלות לרגולציה עצמית. פה אנחנו מדברים על רקמה סייבורגית: שילוב של אלמנטים חיים ומכונה. זה משהו חי, לב ביוני. בשלב הבא ננסה את הטכנולוגיה שפיתחנו על בעלי חיים, כאשר המטרה היא להגיע לניסויים קליניים. כרגע התחלנו לעבוד במעבדה על הפרויקט השאפתני הבא: שימוש במדפסת תלת ממדית להדפסת לב ביוני שלם, הכולל עליות, חדרים, שסתומים וכלי דם. וגם אלקטרוניקה, כמובן".

סרטן בכלל וסרטן המעי הגס בפרט, נמנים על גורמי המוות המובילים של זמננו. רבים סבורים כי אורח החיים המודרני, המזון שאנו צורכים, שינויי האקלים ועוד, הם האחראים לעלייה הגדולה בשכיחות המחלה בעשורים האחרונים. חוקרים מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל אביב ניסו לברר האם גם אוכלוסיות קדומות, שחיו בסביבה שונה לחלוטין, נשאו מוטציות גנטיות המגבירות  את הנטיה לחלות במחלה, ואם כן, האם הן זהות לאלו של היום? הממצאים בהחלט מפתיעים.

ד"ר רינה רוזין-ארבספלד, פרופ' ישראל הרשקוביץ וד"ר אלה סקלן מבית הספר לרפואה הובילו את המחקר המרתק, שבוצע על ידי תלמידת התואר השני מיכל פלדמן. המחקר התפרסם החודש (פברואר 2016) בכתב העת PLOS ONE .

"למרות שכמעט ואין עדויות למחלת הסרטן באוכלוסיות עתיקות, הפכה המחלה לאחד מגורמי המוות העיקריים באוכלוסייה המודרנית," אומרת ד"ר רוזין-ארבספלד, שחוקרת שינויים גנטיים הקשורים להתפתחות סרטן המעי הגס. "לצערנו, על אף אינספור המחקרים המתנהלים באקדמיה ובתעשייה, והכסף הרב המושקע בנושא, טרם נמצאו פתרונות רפואיים יעילים למרבית סוגי הסרטן. חוקרים רבים, בחיפושיהם אחר רמז שיקדם את הבנתם, תוהים: האם הנטייה הגנטית לסרטן באה לידי ביטוי רק בעידן המודרני, העמוס במזהמים, כימיקלים, קרינה והורמונים? ואולי מתו אבותינו בגיל צעיר יותר מסיבות אחרות, ולא 'הספיקו' לפתח את המחלה, גם אם הייתה להם נטייה גנטית לכך?"

אינדיאנה ג'ונס, מאחוריך!

כדי לבחון את הסוגיה חברו ד"ר רוזין-ארבספלד וד"ר אלה סקלן מהמחלקה למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה קלינית לפרופ' ישראל הרשקוביץ מהמחלקה לאנטומיה ואנתרופולגיה בפקולטה לרפואה ע"ש סאקלר. השלושה נסעו למוזיאון הטבע בבודפשט, המחזיק באוסף נדיר של מומיות בנות כ-300-200 שנה - רובן מכנסייה בעיירה ההונגרית Vác. "במשך מאות שנים נהגו הנוצרים באירופה לקבור את מתיהם בארונות במרתפי כנסיות," מסביר פרופ' הרשקוביץ. "במקרים מסוימים שררו במרתפים תנאים שגרמו לתהליך של מומיפיקציה טבעית – כלומר הגופות לא התפוררו, אלא התייבשו בתהליך איטי, והפכו עם הזמן למומיות. כך השתמרו הרקמות הרכות במצב טוב יחסית, וכיום ניתן לערוך בהן  מחקרים מסוגים שונים, כולל מחקר גנטי." החוקרים אספו דוגמאות מעשרים מומיות, ולקחו אותן למעבדה לחקר סרטן המעי הגס באוניברסיטת תל- אביב.

הפקת דנ"א ממומיות בנות 300

"בחרנו להתמקד בסרטן המעי הגס ובמוטציות הגורמות לו מאחר ומדובר במחלה נפוצה מאוד - הסרטן השלישי בשכיחותו בעולם, וגם מכיוון שיש לו רקע גנטי ברור, שמתאים מאוד לעבודה מחקרית," אומרת ד"ר רוזין-ארבספלד. "מרבית מקרי סרטן המעי הגס מתחילים בשינוי ספציפי בגן חשוב שנקרא APC. זהו השלב הראשוני ביותר בהפיכתו של תא בריא לסרטני. למעשה, ניתן להבחין במוטציה ב-APC כבר בפוליפים שפירים קטנים מאוד המתגלים ומוסרים בבדיקות קולונוסקופיה שגרתיות."

החוקרים הצליחו להפיק דנ"א משלוש מומיות. הם סרקו את הדוגמאות במעבדתה של ד"ר רוזין-ארבספלד, בחיפוש אחר שינויים גנטיים בגן APC, הקשורים להתפתחות סרטן המעי הגס. ואכן, באחת המומיות נמצאה מוטציה כזאת. ד"ר רוזין-ארבספלד מסבירה כי "הממצא שלנו מראה שאצל אותו אדם שחי לפני 300 שנה ויותר, החל תהליך גנטי שמוביל להתפתחות סרטן המעי הגס. סביר להניח שמותו נגרם על ידי גורם אחר, שכלל אינו קשור במחלה, זמן רב לפני שהייתה לסרטן הזדמנות להתפתח, אך השינוי הגנטי שעשוי היה להוביל להתפתחות הסרטן היה קיים בתאי גופו." עם זאת, חשוב לציין שמאחר והמוטציה נמצאה רק במומיה אחת, מדובר במחקר ראשוני, ויהיה צורך לבחון מספר גדול יותר של דוגמאות בכדי להגיע למסקנות ברורות.

"המחקר שלנו מספק מרכיב מרכזי שחסר על פי רוב בחשיבה הרפואית של ימינו – ממד הזמן," קובע  פרופ' הרשקוביץ. "התבוננות באבולוציה ובהתפתחות של מחלות מסייעת לנו להבין טוב יותר את הגורמים שמובילים להופעתן בפועל, ובהמשך גם למצוא להן פתרונות." כעת מבקשים החוקרים להרחיב את המחקר וליטול דוגמאות ממספר רב ככל האפשר של מומיות מתקופות שונות. "אם אכן תתגלינה מוטציות דומות בשכיחות גבוהה בשרידים מלפני מאות ואף אלפי שנים, נוכל לעקוב אחרי התפתחות ההיבט הגנטי של המחלה, ואף לזהות גורמים סביבתיים שעשויים להוות זרז לעלייה בשכיחותה," מסכמת ד"ר רוזין-ארבספלד.