כשהנדסה פוגשת ביולוגיה - ראיון מחקרי עם ד"ר בן מעוז

פיתוח תרופות וטיפולים שונים לבני אדם הוא תחום מאתגר מאין כמוהו. אחד מהקשיים המרכזיים הוא הצורך בעריכת ניסויים לבדיקת התרופה או הטיפול, שעלולים לגרום נזקים למושא הניסוי. מלבד הבעיות האתיות, פעמים רבות תרופה שתשפר את מצבו של עכבר מודל לא תעשה זאת עבור אדם. ד"ר בן מעוז התחיל את דרכו ככימאי, סיים פוסט דוקטורט בהארוורד בהנדסה ביו רפואית ומדעי המוח ופתח מעבדה באוניברסיטת תל אביב שמשתמשת בכלים הנדסיים לפיתוח מודלים שמדמים פיזיולוגיה אנושית.

במה המעבדה מתעסקת באופן כללי?

"המעבדה היא מאוד מולטי-דיציפלינרית. אנחנו מתעסקים בהנדסת רקמות, עיבוד אותות, ובעיקר בטכנולוגיה ששמה "Organs on a chip". למעשה יותר מ 60% מהתרופות שמצליחות בניסויים על בעלי חיים נכשלות בשלב שבו מנסים אותן על בני אדם. זה נובע מהעובדה שבני אדם הם לא עכברים ויש הבדל משמעותי בפיזיולוגיה. החלק של הניסויים הקליניים בבני אדם לפיתוח תרופות הוא תהליך ארוך ויקר שדורש משאבים רבים ולא תמיד נושא פירות. לכן נרצה למצוא מודל שמחקה טוב יותר את הפיזיולוגיה האנושית. אנחנו מנסים לחקות פונקציונליות של איבר במחסנית פלסטיק ולנסות לבדוק עליו תרופות ותהליכים ביולוגיים."

אז אתם מנסים לסמלץ מערכת שמתפקדת כמו האיבר.

"בהחלט. אנחנו מנסים לסמלץ אספקט מסוים של תפקוד האיבר, כי הרי יש איברים שיש להם המון פעילויות. היתרון כאן הוא שאפשר ליצור מספר מערכות פיזיולוגיות במספר מחסניות מפלסטיק, כאשר כל אחת מייצגת איבר אחר והן מקושרות בצורה שמאפשרת לדמות אינטראקציה בין איברים. ניתן להשתמש באותה הטכנולוגיה גם בכיוון אחר: הוא לקחת איבר מורכב ולנסות לפרק אותו למספר יחידות. המוח למשל מורכב בין היתר מנוירונים ומ מחסום דם-מוח (Blood Brain Barrier - BBB), בעזרת איברים על שבב ניתן לבדוק את האינטרקציה ביניהם. עשינו צ'יפ של BBB ומוח והצלחנו לראות שיש תקשורת מטבולית בין ה-BBB לנוירונים, דבר שלא יכולנו להראות בפיזיולוגיה של עכבר או בניסויים על בני אדם."

הפיתוח הזה מאפשר יצירת סביבה שמדמה, לפחות חלקית, פיזיולוגיות מורכבות של האדם. ה-BBB מהווה אתגר ביצור תרופות למוח' מכיוון שיש חוסר בהירות בנוגע לחדירות של חומרים שונים למוח ובתופעות הלוואי שנגרמות על ידיהם. במעבדה של בן יצרו BBB על צ'יפ ובדקו מה קורה כשהוא בא במגע עם חומרים שונים, ביניהם חומרים ממכרים כמו קריסטל מת', שגרם לפתיחות יחסית של המחסום ומתירנות גבוהה במעבר של מולקולות.

אילו מרכיבים הנדסיים וביולוגיים יש בצ'יפ?

"לא סתם אנחנו יושבים במחלקה להנדסה ביו-רפואית. מצד אחד יש את הפן של תכנון ובניית הצ'יפ ומצד שני יש את הפן הביולוגי של עבודה עם תאים ורקמות. חלק מהצ'יפים כוללים סנסורים שמאפשרים בדיקה של הפעילות של התאים."

איפה נוירונים נכנסים לתמונה?

"יש לנו פלטפורמות שונות שבאמצעותן אנחנו יכולים לייצר אינטרקציה בין נוירונים. דוגמא טובה היא תאים מיקרופלואידים שהן יחידות קטנות שיש לנו שליטה ברזולוציה גבוהה על הצורה המרחבית שבה הם נמצאים. כיוון נוסף הוא שימוש במדפסת תלת מימד המאפשרת הדפסה של תאים, כך שאנחנו יכולים להדפיס נוירונים בג'ל ולעקוב אחרי התפתחותם. "

איך מדפיסים נוירונים?

"יש כל מיני סוגי ג'ל שהופכים להיות קשים כתוצאה משינוי- בטמפרטורה, באור, בלחץ וכדומה. שמים בפנים את התאים ונותנים למדפסת להדפיס. "

כאשר נוצרת סביבה פיזיולוגית נשלטת, מתווספת גם היכולת לדמות פגיעות בתוכה. אחת מסיבות המוות הנפוצות באוכלוסיות של ילדים וצעירים היא Traumatic Brain Injury - חבלה במוח הנגרמת כתוצאה מכוח חיצוני כמו נפילה. כיום ישנו קושי לזהות את הפגיעה ולטפל בה במהירות, שכן במיוחד אצל ילדים התפקוד החיצוני אינו מעיד על היווצרות בעיה בהתחלה.

"עכברים לא רלוונטים למחקר כזה בשל ההבדלים הפיזיולוגיים הספציפיים ראש אנושי לראש של עכבר.לכן כדי לחקות פגיעות ראש ולחקור אותן, סטודנטים במעבדה פיתחו פלטפורמה הכוללת ג'ל שאפשר לתת לו מכה בעוצמה נשלטת והוא מחקה את הפגיעה של הנוירונים במוח. פלטפורמה נוספת היא תאי אנדותל של ה-BBB שיוצרים בהם פגיעה ורואים את התגובה לפגיעות מכאניות."

כיצד נקבע שהפלטפורמה אכן מחקה את הפגיעה?

"יש מרקרים ביולוגיים שנוירונים משחררים כאשר הם מקבלים מכה, בנוסף לתירגום מוגבר של חלבונים מסוימים. מרקרים אלו נמצאו אצל חיילים ושחקני פוטבול שסבלו מפגיעות כאלה. פיתחנו מספר פלטפורמות שכל אחת סוקרת אספקט אחר של התגובה."

ההשקעה הנדסית בבניית הפלטרפורמות הללו היא עצומה ודורשת התחשבות בהמון מאפיינים וגורמים הקיימים בסביבה הביולוגית של הגוף. למרות זאת, התמורה גדולה בהיבטי הבנת מנגנונים ביולוגיים ופיתוח תרופות: "המודלים ההנדסיים מאפשרים להוסיף אספקטים פיזיקליים שהתא חווה בסביבתו הטבעית ואי אפשר לחקות בצלחת פטרי, לדוגמא זרימה של דם. הרבה מאמרים מראים שזה גורם לשינוי תכונות אצל התאים. אי אפשר לחקות הכל ואנחנו עושים הקרבות, אבל אנחנו מתקדמים לעבר מודלים לחקר הפיזיולוגיה האנושית. "

על אילו פיתוחים נוירונליים אתם עובדים בימים אלה?

"ישנם אנשים שאיבדו תחושה בקצות הגפיים, דבר שיכול לנבוע מפציעות או מבעיות נוירונליות שונות. אנחנו מפתחים מכשיר שמחזיר את התחושה. המכשיר נטען ללא כוח חיצוני, כך שאין את הבעיה של רעילות או חוסר נוחות שנגרם מהצורך להחליף בטריה. שמים את זה מתחת לעור, מקשרים לנוירון הלא פגוע ומאפשרים החזרה של יכולת החישה. מדובר בנוירון דמה שרגיש ללחץ שמופעל עליו."

באמצעות איזה מנגנון זה קורה?

"לצערי בשלב זה נוכל לפרט רק מעט. בגדול מדובר על טכנולוגיה חדשה שהתפתחה רק בשנים האחרונות, המאפשרת יצירת מתח על ידי חומרים שלא דורשים סוללה. לצערינו אי אפשר לבצע את הבדיקה In vitro בלבד, ובנתיים הנסיונות על העכברים נראים מוצלחים."

פיתוח נוסף שמבצעים במעבדה הוא פיתוח סנסורים לחישה של ההתרחשות במערכות הפיזיולוגיות. אלה משמשים כמעין "עיניים" בתוך התרבית. מדובר באלקטרודות לקריאת פעילות חשמלית, חדירות של ה-BBB ולא בכימות של הפרשת מרקרים ביולוגיים כאלה ואחרים.

איך אפשר לשפר את השילוב של מחקר ונוירוטק כמו שעושים אצלכם במעבדה?

"מבחינת הסטודנטים כל דבר שמעניין אפשרי, במידה ובאים עם מוטיבציה ורצון ללמוד וצוללים אליו. יש לי במעבדה סטודנטים מרקעים לא הנדסיים שלומדים ומתעסקים בפרויקטים הנדסיים מתקדמים. מבחינת החוקרים, כדאי להיות בקשר עם חוקרים אחרים בתוך האוניברסיטה, מתוך התעשייה ובקליניקה, מכיוון שלכל עולם יש אתגרים אחרים ומילון מונחים שונה. זה חשוב כדי לענות על הפערים ולתת מענה לצרכים האלה. גם בזכות המגזין, נוצרת קהילה, וכך נוצר מאגר נטוורקינג שמאפשר אפיון טוב יותר של צרכים בתעשיה ובמחקר."

---

עדי כהן היא סטודנטית בשנתה האחרונה לתואר ראשון, בתוכנית ביולוגיה-פסיכולוגיה בהדגש מוח, באוניברסיטת תל אביב.