מחלות שונות מאופיינות ב”חותמות כימיות” שונות הניתנות לזיהוי על סמך דגימת נשיפה

פרופ’ חוסאם חאיק מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון, שפיתח טכנולוגיה חדשנית לאבחון רפואי על סמך הבל פה, הוביל מחקר בינלאומי חסר תקדים שבו השתתפו 1,404 נבדקים. המערכת שפיתח צוות המחקר של פרופ’ חאיק הצליחה לאבחן מחלות בדיוק ממוצע של 86% 

פרופ’ חוסאם חאיק מהפקולטה להנדסה כימית בטכניון, שפיתח טכנולוגיה חדשנית לאבחון רפואי על סמך הבל פה, מפרסם בכתב העת המדעיACS Nano  מחקר בינלאומי ראשון בהיקפו בנושא זה. המחקר, שנערך במסגרת עבודת הדוקטורט של ד”ר מוראד נח’לה בשיתוף 56 חוקרים אחרים, התקיים בחמש מדינות בהשתתפות 1,404 נבדקים ובחן 17 מחלות שונות שאינן תלויות זו בזו.

במאמר האמור מספקים חוקרי הטכניון הוכחה מדעית ראשונה להיפותזה בת 2,400 שנה, לפיה בדיקות נשיפה עשויות לספק מידע חשוב על מצבים קליניים, ומאמתים את יעילותה הקלינית של טכנולוגיית האבחון שפיתחה הקבוצה. טכנולוגיה זו מאפשרת אבחוןומיון של מחלות בדרך מהירה וזולה, המבוססת על “הרחת” הבל הפה של הנבדק באמצעות מערכת חישה מתקדמת ואינטליגנציה מלאכותית.

“זיהוי הפרעות פיזיולוגיות על סמך חומרים הנפלטים מהגוף הוא גישה עתיקת יומין שתועדה כבר בתקופת יוון העתיקה,” מסביר פרופ’ חאיק, “והבל הפה הוא חומר גלם מצוין לאבחון. זאת משום שהוא זמין ללא צורך בתהליכים פולשניים ובפעולות לא נעימות, אינו מסוכן ואפשר לדגום אותו שוב ושוב במידת הצורך. בעבר כבר הודגמו שיטות אבחון המבוססות על דגימות נשיפה, אבל עד כה לא ניתנה שום הוכחה מדעית להשערה שמחלות שונות ובלתי תלויות מאופייניות בחתימות כימיות שונות של הבל הפה. בנוסף, הטכנולוגיות שפותחו עד כה לצורך אבחון מסוג זה מוגבלות לגילוי מספר מצומצם של הפרעות קליניות ואינן מבחינות בין סוגים שונים ובלתי תלויים של מחלות.”

במחקר הנוכחי נכללו כאמור 17 מחלות שונות: סרטן ריאה, סרטן המעי, סרטן הראש והצוואר, סרטן השחלות, סרטן שלפוחית השתן, סרטן הערמונית, סרטן כליות, סרטן הקיבה, מחלת קרון, קוליטיס כיבית, תסמונת המעי הרגיז, פרקינסון (משני סוגים), טרשת נפוצה, יתר לחץ דם ריאתי, רעלת הריון ומחלת כליות כרונית. הדגימות נאספו בין ינואר 2011 ליוני 2014 מ-1,404 נבדקים ב-14 מחלקות ב-9 מרכזים רפואיים ב-5 מדינות: ישראל, צרפת, ארה”ב, לטביה וסין. זאת כמובן על פי פרוטוקול ועדת הלסינקי ובאישור המשתתפים במחקר.

במקביל לניטור הדגימות בטכנולוגיה החדשה נבדק ההרכב הכימי שלהן בשיטה אנליטית מקובלת (ספקטרומטריית מסה) המאפשרת זיהוי כמותי מדויק של תרכובות כימיות הנמצאות בדגימות הנשימה. כך זוהו 13 מרכיבים כימיים המצויים, בהרכבים שונים, בכל 17 המחלות. לדברי פרופ’ חאיק וד”ר נח’לה, “כל אחת מהמחלות האמורות מאופיינת בטביעת אצבע ייחודית, כלומר בהרכב שונה של 13 המרכיבים הכימיים האמורים. כפי שיש לכל אחד מאיתנו טביעת אצבע ייחודית המבדילה אותנו מהאחרים, כך יש לכל מחלה חותמת כימית המבדילה אותה ממחלות אחרות וממצב בריאותי תקין. חותמות הריח האלה הן מה שמאפשר לנו את זיהוי המחלות באמצעות הטכנולוגיה שפיתחנו.”

במקביל לעבודה המדעית בחן המחקר את יעילותה של הערכה החדשה, הקרויה “מערך ננומטרי בעל אינטליגנציה מלאכותית” (artificially intelligent nanoarray) בגילוי ובמיון של המחלות השונות באמצעות חותמות הבל הפה. זוהי מערכת מרובת חיישנים המנתחת באמצעות אינטליגנציה מלאכותית את המידע המתקבל מן החיישנים. חלק מהחיישנים מבוססים על שכבות של חלקיקי זהב ננומטריים ואחרים מכילים רשת אקראית של שפופרות פחמן ננומטריות המצופות בשכבה אורגנית לצורך חישה וזיהוי. כדי לאמת את אמינות המערכת נבדקו השפעות של גורמים שונים (כגון מגדר, גיל, הרגלי עישון ומיקום גיאוגרפי) על הרכב הדגימה, ונמצא כי מדובר בהשפעה זניחה שאינה פוגעת ברגישות המערך הננומטרי.

“כל אחד מהחיישנים מגיב למגוון רחב של מרכיבים בנשיפה,” מסביר פרופ’ חאיק, “והאינטגרציה של המידע מספקת נתונים מפורטים על חתימות הנשיפה הייחודיות האופייניות למחלות שונות. המערכת שלנו ביצעה גילוי ומיון של המחלות השונות בדיוק ממוצע של 86%. לכן מדובר בכיוון חדש ומבטיח לאבחון ולמיון מחלות, המאופיין לא רק בדיוק רב אלא גם בעלות נמוכה, בצריכת חשמל נמוכה, במיזעור, בנוחות ובאפשרות לחזור על הבדיקה בקלות.”

פרופ’ חאיק, פרופסור מן המניין בטכניון העומד בראשם של שלושה מאגדים אירופיים גדולים, זכה במענקים ופרסים יוקרתיים רבים ובהם מענק המצוינות על שם מארי קירי, מענק מועצת המחקר האירופית, מענקי קרן ביל ומלינדה גייטס, פרס הרשל ריץ (טכניון) ופרס המבולדט (גרמניה). הוא נכלל בכמה רשימות חשובות ובהן רשימת 35 המדענים הצעירים המובילים בעולם (דירוג של MIT), רשימת ה- 100 של נומינט טרסט (לונדון) הכוללת את 100 הממציאים והפיתוחים הדיגיטליים המשפיעים ביותר בעולם, ורשימת מאה האנשים המשפיעים בעולם מטעם מגזין  GOOD הרואה אור בלוס אנג’לס. פרופ’  חאיק גם זכה בפרס ההוראה הגבוה ביותר שמעניק הטכניון – פרס ינאי למצוינות בחינוך האקדמי.

למאמר המלא בכתב העת המדעיACS Nano  לחצו כאן