חיישן חומציות רגיש היוזם ייצור אינסולין

צוות של ביו-מהנדסים הצליח לפתח עתה שתל חדש המהווה התקן מולקולרי ואשר מורכב משני רכיבים: חיישן המודד באופן רציף את רמת החומציות (pH) בדם ומנגנון משוב מבוסס-גנים המביא ליצירת הכמות הנדרשת בדיוק של החלבון אינסולין.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
צוות של ביו-מהנדסים הצליח לפתח עתה שתל חדש המהווה התקן מולקולרי ואשר מורכב משני רכיבים: חיישן המודד באופן רציף את רמת החומציות (pH) בדם ומנגנון משוב מבוסס-גנים המביא ליצירת הכמות הנדרשת בדיוק של החלבון אינסולין.

צוות של ביו-מהנדסים הצליח לפתח עתה שתל חדש המהווה התקן מולקולרי ואשר מורכב משני רכיבים: חיישן המודד באופן רציף את רמת החומציות (pH) בדם ומנגנון משוב מבוסס-גנים המביא ליצירת הכמות הנדרשת בדיוק של החלבון אינסולין. פונקציות מטבוליות רבות תפעלנה כראוי רק אם רמת החומציות בגוף נותרת ניטרלית ויציבה. עבור בני-אדם, מצב תקין של רמת החומציות של הדם משתרע בטווח הערכים של 7.45-7.35. בהשוואה לכך, בטן ריקה היא חומצית ביותר והיא בעלת רמת חומציות של 1.5.

הגוף מנטר באופן רציף את טווח ה- pHהצר הזה ומשיב במהירות את הערכים האידיאליים במקרה של סטיות מהטווח הבריא. זאת, לאור העובדה כי חלבונים רבים מפסיקים לתפקד כראוי אם הנוזלים בגוף הופכים לחומציים אפילו מעט יותר. החלבונים מאבדים את יציבותם, המבנה שלהם משתנה, יחסי הגומלין שלהם עם חלבונים אחרים משתנים וכל זאת גורם למסלולים המטבוליים להשתבש.

אנשים הלוקים בסכרת מסוג 1 נמצאים במיוחד בסיכון במצב של רמת חומציות גבוהה. במצב זה, הגוף שלהם לא מייצר אינסולין, שהוא ההורמון המווסת את רמות הסוכר בדם, ועל-כן התאים שלהם אינם מסוגלים לספוג סוכר מהדם ונאלצים לקבל את האנרגיה שלהם ממקור אחר: עתודות השומן. במהלך שלב זה, הכבד מייצר את החומר ביתא-הידרוקסיבוטיראט, חומצה המספקת אנרגיה לשרירים ולתאי המוח דרך זרם הדם. אולם, אם הגוף ממשיך לנצל את עתודות השומן ליצירת אנרגיה, נוצרת כמות כה גדולה של חומצה עד כי רמת החומציות של הדם צונחת תוך כדי כך שמולקולות הסוכר שבזרם הדם נותרות ללא שימוש. אם לא מבחינים או מטפלים במחסור באינסולין, החולים בסכרת מסוג 1 נפטרים בסופו של דבר ממצב המכונה קטואצידוסיס [גופי קטון וחמצת בדם] – הלמת מטבולית הנובעת מעודף של החומר ביתא-הידרוקסיבוטיראט.

צוות ביו-מהנדסים מהמחלקה למדעי ביו-מערכות והנדסה מהמכון הטכנולוגי של ציריך בבאזל (ETH) פיתח כעת שתל חדש המהווה התקן מולקולרי ואשר מורכב משני רכיבים: חיישן המודד באופן רציף את רמת החומציות (pH) בדם ומנגנון משוב מבוסס-גנים המביא ליצירת הכמות הנדרשת בדיוק של החלבון אינסולין. החוקרים שילבו במערכת שלהם רכיבים ביולוגיים, כגון גנים וחלבונים שונים, תוך הטמעתם לתוך תאי כליות. בשלב הבא, החוקרים שיבצו מיליוני תאים מותאמים מסוג זה בתוך כמוסות שבהן ניתן להשתמש בתור שתלים בתוך הגוף. עיקרו של התקן השתל הוא חיישן חומציות, המודד בקביעות את רמת החומציות המדויקת של הדם ומגיב תוך רגישות גבוהה לסטיות זעירות מערכי החומציות האידיאליים. אם הערך יורד משיעור של 7.35, החיישן שולח אות היוזם ייצור של אינסולין. ערך חומציות כה נמוך הוא ספציפי לחולי סכרת מסוג 1. למרות שצניחה ברמת החומציות מתרחשת גם בשל שימוש מוגבר באלכוהול והתעמלות גופנית בעקבות חמצות-יתר של השרירים, הרי שהערכים במקרים אלו אינם פוחתים מערך של 7.35.

ההורמון אינסולין מבטיח שהתאים בגוף יקלטו את הסוכר שוב ומעביר את מקור האנרגיה שבו משתמש הגוף מעתודות השומן לסוכר, וכתוצאה מכך ערך החומציות עולה שוב לערכו הרגיל. ברגע שרמת החומציות של הדם חוזרת לערכה האידיאלי, החיישן מפסיק את פעולתו והתאים המתוכנתים מפסיקים לייצר אינסולין.

החוקרים כבר הספיקו לבדוק את ההמצאה שלהם על עכברים בעלי סכרת מסוג 1 וחמצת הקשורה למצב זה. התוצאות נראות מבטיחות: העכברים בהם הושתלו הכמוסות החדשניות ייצרו את כמות האינסולין הנדרשת לטווחים הבריאים עבורם. רמת ההורמון בדם הייתה שווה לזו שבעכברים בריאים המצליחים לווסת את רמות האינסולין בתוכם באופן טבעי. השתלים גם הצליחו לפצות על סטיות גדולות ברמת הסוכר שבדם.

“יישומים המבוססים על אב-טיפוס זה המותאמים לבני-אדם הם בהחלט מתקבלים על הדעת, אולם עדיין לא פותחו,” אומר אחד מהחוקרים. “רצינו קודם כל לפתח אב-טיפוס על מנת לראות אם בכלל ניתן להשתמש באיברים מלאכותיים מולקולאריים להתאמות כה רגישות בתהליכים מטבוליים,” הוא מוסיף ואומר. יחד עם זאת, פיתוח מוצר מעין זה ושיווקו המסחרי הוא מעבר למסגרת צוות החוקרים והמשאבים הכלכליים הנתונים בידם, אומר החוקר הראשי, והוא מקווה ליצור שיתופי פעולה עם שותף ממגזר התעשייה.

מדענים אחדים מצוות המחקר הזה כבר עשו כותרות בעבר מספר פעמים במסגרת פיתוחם של רשתות סינתטיות דומות. לדוגמה, הם פיתחו שתל מבוסס-גנים המסוגל להיות משופעל בעזרת קרינת אור כחול, ותוך כדי כך לייצר GLP-1 [Glucagon-like peptide-1], חומר המווסת את ייצור האינסולין בגוף. הם גם הצליחו לשלב רשת המונעת את התסמונת המטבולית, תהליך המשופעל ע”י תרופה להורדת לחץ-דם. כל הרשתות הללו הגיבו לאות תוך ייצור חומר הפעיל מבחינה הורמונלית. אולם, התכונה המיוחדת של מנגנון המשוב החדש היא בכך שהגוף עצמו הוא המייצר את האות, שבשלב הבא מזוהה ע”י החיישן המוליד תגובת טיפול רפואי מותאמת.

הידיעה על המחקר