גלאי מחלות

ערכת בדיקה קטנה יכולה לאבחן זיהומים בתוך 20 דקות, וכך לקצר בימים שלמים את זמן ההמתנה לתוצאות ולהציל חיים/שנה או קלי

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל

אנו מודדים באופן שגרתי את סימני הבריאות החיוניים כמו טמפרטורת הגוף או לחץ דם, אבל עדיין אין לנו דרך
מהירה לזהות במדויק את הסיבה של רוב הזיהומים. החולים משלמים מחיר יקר על אי היכולת שלנו לזהות נגיפים וחיידקים מזיקים. במהלך ימי ההמתנה הדרושים בדרך כלל לרופאים כדי לזהות חיידקים ונגיפים, המחלות מתפשטות בגוף והטיפול בהן נעשה קשה יותר, והחולים הפגיעים ביותר – יילודים, מבוגרים ובעלי מערכת חיסון חלשה – עלולים למות.
העיכובים האלה מתרחשים אפילו במרפאות המצוידות בכל היתרונות של רפואת ההיי-טק, לא כל שכן במרפאות קטנות באפריקה שבהן קבלת התוצאות יכולה לארוך ימים רבים. בזמן הזה, חולים במלריה עלולים לקבל טיפול שגוי נגד טיפוס־המעיים וחולים באבולה עלולים להישאר ללא השגחה מיוחדת, במקום להישלח לבידוד.

הבדיקות אטיות כל כך משום שטביעות האצבע המולקולריות של זיהום מסוים כלשהו, מסתתרות בגוף האדם בין שפע החלבונים והחלקיקים התקינים המסתירים אותן. בדגימת דם אחת יש אולי 1,000 סמנים מולקולריים ייחודיים לחיידק מסוים המרחפים בין טריליוני מולקולות שאינן קשורות לזיהום. דרוש זמן רב עד שמדענים מומחים, במעבדות מתמחות ומצוידות במכשור מסובך ויקר, ימצאו קבוצה גדולה דיה של מולקולות מטרה כדי להפעיל את אות האזעקה.

אנו עומדים כעת על סף של שיפור ניכר במצב. במקום לבזבז זמן ולסכן חיים בהעברת הדגימות מן החולים אל מעבדות האבחון, אנחנו יכולים לגלות את המולקולות המאפיינות את המחלה ולזהות אותן כבר במרפאה של הרופא, לאחר המתנה של כ-20 דקות. אפשר לעשות זאת בעזרת חיישני-ננו זעירים, בקוטר של מיליארדיות המטר, הנתונים בתוך מכל פלסטיק קטן. כל מה שצריך לעשות זה לשים טיפת דם בתוך המכל ולקבל את התוצאות. חיישני הננו מגיבים במהירות לרמות נמוכות של דנ”א חיידקי, בין השאר משום שהחיישנים והדנ”א הם בערך באותו גודל.
והגודל אכן קובע. גל קטן לא יורגש בספינת קרב אבל הוא יטלטל כהוגן סירת משוטים: הוא יתיז מים מעבר לדופנות הסירה ויבהיל את החותרים. כך גם חיישני הננו שלנו: הם מגיבים לסביבתם, הנוזלים שבדגימת הדם, באופן שחיישנים גדולים מהם אינם מסוגלים לו, וזה קורה מהר מאוד.

עמיתַי ואני נלהבים מן הידיעה שהמערכות שלנו ייבחנו במרפאות במהלך 2016. והמערכת שלנו היא רק אחת מכמה גישות אבחון מבטיחות שפיתחו חוקרים אחרים שגם הם משתמשים בתגובות בקנה מידה ננוסקופי. בעשור האחרון שכללו מדענים שיטות לעיצוב חומרים, לעתים קרובות אטום אחרי אטום. מעבדות ברחבי העולם משתמשות בשיטות הבקרה המדויקות האלה כדי לתכנן ולבנות הֶתקנים המגיבים באופן ספציפי בתנאים מוגדרים מראש. זמן התגובה של התקנים אלה קצר מאוד בהשוואה להֶתקנים הגדולים הקודמים. כולנו עדיין זהירים מאוד, משום שכבר ראינו כיצד דגמי אב-טיפוס מוצלחים כשלו בעולם האמיתי. אבל אנו גם מקווים ששיטות כאלה יעזרו לנו בסופו של דבר להביא מרפא ברגע שהוא נחוץ.

לדוג מחלה
קבוצת המחקר שלי נכנסה לתחום לפני כעשר שנים. הבטנו בהתפעלות כיצד אנשים עם סוכרת משתמשים בחיישני גלוקוז פשוטים, שאפשר להחזיקם בנוחות ביד. מולקולות הגלוקוז למעשה סוגרות מעגל חשמלי בהתקן ויוצרות זרם על ידי איבוד של כמה אלקטרונים. זרם חזק יותר מעיד על יותר גלוקוז בדם. תהינו אם נוכל להשתמש באותה גישה כדי למדוד רצפים מסוימים של דנ”א ורנ”א מחיידקים או מנגיפים המשמשים סמנים ייחודיים לזיהום.

למימוש המטרה היה עלינו למצוא דרך למשוך ולדוג כמה מולקולות דנ”א ממחוללי המחלה שעשויים להימצא בדגימת דם שנלקחת מחולה. לצורך הדיג נזקקנו לפיתיון. אחת התכונות הנאות של כל פיסת דנ”א היא נטייתה להידבק באופן בררני והדוק לרצף אחר של דנ”א שאנחנו יכולים לתכנן ולהכין בעצמנו. כך לדוגמה אנו יכולים ליצור רצף כדי לדוג זן של חיידק סטפילוקוקוס. זהו פיתיון בעל ייחודיות גבוהה. חיברנו את מולקולת הפיתיון לחיישן, תיל זהב ברוחב של מילימטר, המתוכנן להעביר זרם חשמלי רק כשהדנ”א החיידקי נתפס. (זהב פועל היטב משום שהוא מוליך חשמל טוב.)

אבל מכיוון שדנ”א כשלעצמו אינו משחרר די אלקטרונים כדי לייצר זרם חשמלי חזק דיו למדידה בתיל הזהב, נזקקנו למגבר. לשם כך הוספנו לדגימה שלנו חלקיקים של המתכת רותניום. לחלקיקי המתכת האלה יש מטען חשמלי חיובי כך שהם נמשכים לדנ”א שהוא בעל מטען שלילי. וכשמולקולת דנ”א נקשרת לחיישן שלנו, חלקיקי המתכת מצטרפים אליה. התצמיד מתכת-דנ”א מושך בקלות אלקטרונים מתיל הזהב, וכך נוצר זרם חשמלי בעוצמה שאפשר לגלותה. מולקולות פיתיון שונות על פני השטח של החיישן, מאפשרות לנו לאתר דנ”א מחיידקים שונים.

החדשות הרעות הגיעו כשבמצבים דומים לחיים האמיתיים השיטה הזאת לא פעלה. היא פעלה היטב כשהכנסנו כמות גדולה של דנ”א חיידקי לדגימות שלנו: טריליוני מולקולות. אבל אז ניסינו את השיטה ברמות דנ”א הקרובות לרמות המצויות בדרך כלל בדגימות דם שרופא שואב במחט. דגימות כאלה מכילות בדרך כלל כ-1,000 מולקולות מטרה או פחות. ניסינו להטות את התוצאות לטובתנו והשתמשנו בדגימות עם מיליון מולקולות מטרה, אבל גם אז לא הצלחנו לקבל אות שאפשר לגלות. היינו רחוקים מאוד מן היעד שלנו.

אבחון – הֶתקן קטן, תגובת ענק

במשך שנה בדקנו את כל המשתנים במערכת שלנו בניסיון להבין מדוע איננו יכולים לגלות מספר קטן יותר של מולקולות. זה היה מתסכל: שום תחבולה שיכולנו לחשוב עליה לא עשתה את השיטה רגישה יותר. כמה סטודנטים בקבוצה התייאשו וביקשו לעבור לנושאים אחרים. גם אני התחלתי לתהות אם קבוצת המחקר שלי תשרוד.

למזלנו, יד המקרה שיחקה לצִדנו. יום אחד ב-2004 ערכנו דיון במחקר אחר, שאינו קשור לנושא הזה אבל גם בו נעשה שימוש בתילי זהב, אם כי בקנה מידה קטן בהרבה. קוטרם של תילי הננו האלה היה רק 10 ננומטר (10 מיליארדיות המטר), קוטר שיכול להחזיק רק חמש מולקולות דנ”א. אז רק לשם השעשוע, ומשום ששום דבר אחר לא עבד, החלפנו את תילי הזהב שבהם השתמשנו עד כה, שקוטרם מילימטר, בתילי הננו וערכנו כמה ניסויים מהירים ו”מלוכלכים” רק כדי לראות אם יקרה משהו.

ומשהו אכן קרה. רָהֶלה גַספַּרק, שהייתה אז פוסט-דוקטורנטית בקבוצה, הגיעה למשרדי בריצה כשהיא לופתת בידה פיסת נייר עם התוצאות של הניסוי הראשון. תילי הננו הגבירו את הרגישות פי מיליון. ברגע הראשון רצינו לצאת לחגוג, אך במחשבה שנייה הבנו שצריך לחזור על הניסויים ופנינו בחזרה למעבדה. רצינו להיות בטוחים שמה שראינו היה אמיתי. ואכן כך היה. באותו רגע ידענו שיש לנו דרך לאתר את אותן 1,000 מולקולות שיאפשרו לנו לאבחן מחלות.

מדוע תילי-ננו אפשרו לנו לחוש ריכוזים נמוכים בהרבה של דנ”א? זה קורה משום שלגודלם של התילים יש השפעה ניכרת על צורתם. כשעוברים לקנה מידה ננומטרי, מופיעות על תילים גבשושיות קטנות ומחודדות שאינן מצויות על פני התילים הגדולים יותר שנפחם מקנה להם שטח פנים שטוח וחלק. כשמולקולת פיתיון אחת צמודה לצד אחד של גבשושית ומולקולה אחרת לצדה האחר, יש סביבן מרחב גדול יותר משיש סביב המולקולות המצטופפות על פני התיל השטוח והגדול יותר. נוזל יכול לנוע בקלות רבה יותר במרחב הזה כשהוא נושא עמו את מולקולות היעד. למולקולות הפיתיון ולמולקולות המטרה יש אפוא סיכוי גבוה יותר להיפגש ולהיקשר זו עם זו.

החיישנים האלה היו אמנם טובים, אבל הסטודנטים בקבוצה יכלו להכין בעבודת יד רק עשרה כאלה ביום. לשימוש רפואי נזדקק לאלפי חיישנים כאלה. עשינו אפוא את הדבר שמדענים ומהנדסים רבים לפנינו עשו, כשביקשו לייצר התקנים חשמליים רבים, ופנינו לסיליקון.

איור קימורים בקנה מידה ננומטרי
לשבבים עשויים סיליקון אפשר להצמיד אלקטרודות וליצרם בייצור המוני. רצינו לקחת את הגבשושיות הננומטריות שאפיינו את תילי הננו שלנו, אותן גבשושיות מחודדות שהעצימו את הרגישות, ולשכפל אותן על שבב כזה. לאחר כשישה חודשים מצאנו דרך טובה לעשות זאת באמצעות ציפוי אלקטרו-כימי. יכולנו להתחיל בהצבת מבנים גדולים יותר, בקנה מידה מיקרומטרי על גבי הסיליקון ואז להשתמש בציפוי הכימי ולהניח שכבות דקות יותר של זהב מעליהם. במקום לגדל תילי-ננו, למדנו שיותר מהיר וקל ליצור כעין כיפת זהב בעלת חוֹדים רבים. באמצעות קיבוע מולקולות פיתיון סביב החודים חיקינו את ההפרדה שיצרו הגבשושיות בתילים המקוריים. המפתח היה טמון בתזמון. אם תהליך הציפוי נמשך מעט יותר מן הרצוי, המבנים היו מתגבבים לגודל שאינו מאפשר שימוש. אבל אם מפסיקים את התהליך לאחר פרק זמן קצר, המבנים מגיעים לקנה מידה ננומטרי וצמיחתם נעצרת.

גִמלון
במהלך השנים שלאחר הפיתוח הראשוני הראינו שאנחנו יכולים להשתמש בגלאים האלה כדי לנתח סמנים של חיידקים מחוללי מחלות זיהומיות ושאנחנו מסוגלים לקבוע נוכחות או היעדרות של מחולל מחלה כזה בתוך 20 דקות. פרק הזמן הזה חשוב מאוד מפני שכדי שהאבחון במרפאה יהיה מוצלח, רצוי שהתשובה לבדיקה תגיע במשך הזמן האופייני לביקור אצל רופא. היבט חשוב נוסף של הגישה שלנו הוא מה שקרוי בפינו “ריבוי משימות”: היכולת לחפש מחוללי מחלה רבים באותו זמן. הצלחנו להציב כיפות זהב רבות על פני השטח של השבבים שלנו ולחבר לכל כיפה סוג אחר של מולקולות פיתיון. כך אנו יכולים לאבחן סוגים רבים של מחוללי מחלות בטפטוף של דגימת דם אחת על השבב. רוב הגישות האחרות יכולות לבדוק רק סוג אחד של דנ”א של מחולל מחלה בכל פעם. אחד המחקרים היותר שאפתניים שלנו היה לבחון 20 חיידקים שונים בבת אחת יחד עם חמישה סמני דנ”א נפוצים לעמידות לאנטיביוטיקה. הצלחנו לאבחן אותם בדיוק של 99%.

בניסיון לשווק את הטכנולוגיה למרפאות הרופאים, הקמנו חברה מסחרית, קְסַגֶ’ניק שְמה (Xagenic). החברה, שאני ממונה בה על הטכנולוגיה, בנתה התקן פלסטי סביב השבב שלנו ושילבה בו את כל הנחוץ לצורך אבחון. ההתקנים האלה ייבחנו בניסויים קליניים שיחלו ב-2016 ויבחנו את דיוקם באבחון שתי מחלות מין מידבקות, כְּלַמִידְיָה וזיבה (גונוריאה). בבדיקות ישתתפו רופאים ומטופליהם ב-20 מרפאות. אם הניסוי הראשון יצליח, אנו מתכוונים להעביר את התוצאות למנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) ולבקש אישור להשיק תוצר מסחרי.

אנו מתחרים עם ננו-טכנולוגיות מבטיחות אחרות, והתחרות עזה. כמה מן הבדיקות האלה מתמקדות בסוגים מסוימים של סרטן ומגיעות לרמה חדשה של דיוק. הקבוצה של צ’אד א’ מירקין באוניברסיטת נורתוֶוסטרן, לדוגמה, פיתחה כדורוני-ננו מזהב שמגיבים עם דנ”א של תאי סרטן עוד לפני שהתאים המסוכנים יצרו גידולים. דייוויד וולט מאוניברסיטת טאפטס פיתח מערכת שסופרת מולקולות המשמשות סמן למחלות וקובעת כמה מולקולות כאלה מצויות בדם של מטופל, מידע שעשוי להיות חיוני לאבחון סרטן ולניטורו. אבל כל הגישות האלה תוכננו לשימוש במעבדות אבחון ולאו דווקא במרפאות של רופאים.

אבל יש גם שיטות אחרות המתמקדות באבחון בו-במקום, והן עושות דרכן אל הרפואה היום-יומית. הקבוצה של רוֹסטֶם איסְמַגילוֹב במכון הטכנולוגי של קליפורניה פיתחה התקן אלחוטי הקרוי SlipChip, המאפשר גילוי דנ”א בלי להיזקק לחיבור לשקע חשמלי. בראשית 2015 דיווחו סמואל סיאה ועמיתיו מאוניברסיטת קולומביה בכתב העת Science Translational Medicine על דוֹגם דם זעיר המחובר לטלפון סלולרי ומאתר HIV באמצעות גילוי נוגדנים בדם.

אני סבורה שאחת או יותר מן הטכנולוגיות האלה, או טכנולוגיה שונה לגמרי שעדיין איננו יודעים עליה, יפעלו בסופו של דבר ברמה טובה דיה לשימוש רפואי יום-יומי. ואז, תגובות כימיות שיתבצעו בהתקן שגודלו מיליונית או מיליארדית המטר ישפרו את בריאות המטופלים מעבר לכל קנה מידה.