מערכת חדשה להרחפת ומיון תאים באמצעות קרן לייזר

צמד חוקרים ב-MIT פיתחו מערכת חדשה המשתמשת בקרן לייזר ממוקדת להרחפת תאים ולמיונם. המערכת מאפשרת מחקרים ביולוגיים חדשים, ומספקת שיטה זולה ליעול בדיקות קליניות ואבחונים, סינון גנטי וחקר שיבוטים

איך מוצאים מחט בערימה של שחת?
בעיה דומה עומדת פעמים רבות בפני חוקרי ביולוגיה, שצריכים לבחון מיליוני תאים שונים, למצוא את התא הבודד השונה מכל השאר, ולהפריד אותו מהאחרים. עתה הומצאה שיטה חדשה למיון במכון הטכנולוגי של מסאצ'וטס, המשתמשת בקרן לייזר על מנת להפריד את התאים.
המפתחים – ג'ואל וולדמן, פרופסור להנדסת חשמל ומדעי המחשב ב- MIT, וג'וזף קובאק, סטודנט לתואר גבוה באותה מחלקה – טוענים כי המערכת יכולה למיין עד ל- 10,000 תאים על גבי זכוכית מיקרוסקופ רגילה, ופותחת את הדלת עבור מחקרים ביולוגיים חדשים, שלא היו אפשריים עד עתה. הישומים האפשריים הם בבדיקות קליניות ובאבחונים, בסינון גנטי ובחקר שיבוטים. כל התחומים הללו דורשים סלקציה של תאים בעלי תכונות מסויימות. המערכת מתוארת במאמר ראשי בכתב העת Analytical Chemistry שיצא ב- 15 לדצמבר.
בשיטות הנהוגות כיום, משתמשים בסמן פלורסנטי (זוהר) המזהה חלבונים מסויימים שמופיעים רק על-גבי התאים שרוצים לסמן. המערכת החדשה מאפשרת מיון מדוייק יותר, על-ידי הפרדה של התאים לא רק על-סמך רמת האור שהם מפיצים, אלא גם על סמך הפעילויות השונות המתרחשות באיזורים ספציפיים של התא, כמו הגרעין. המערכת יכולה גם לזהות את מהירות התגובה של תאים, או כמה זמן התגובות נמשכות.
“רצינו להסתכל על דברים בתוך התא שמשתנים לאורך זמן, או שנמצאים במקומות מסויימים,” אומר וולדמן. בטכנולוגיות המצויות כיום לא ניתן להפריד תאים לפי התכונות האלו.
המערכת החדשה מאפשרת, לדוגמא, להפריד תאים לפי מהירות התגובה שלהם לחומר פלורסנטי מסויים. “המערכת תוכל לברור את התאים שמגיבים מהר או לאט, ולאמוד את השוני,” אומר וולדמן. “זו נשמעת כמו מטלה פשוטה, אבל היא ממש לא.” ישנן דרכים אחרות להפריד תאים בצורה דומה, אך הן דורשות ציוד מסובך ויקר, או שהן מוגבלות במספר התאים עליהם הן יכולות לעבוד.
המערכת החדשה משתמשת בשכבת סיליקון שקופה הצמודה לזכוכית מיקרוסקופ רגילה. בתוך שכבת הסיליקון עוצבו חורים זעירים רבים, המהווים למעשה מלכודות קטנות בתוכן התאים נכלאים כשהם מועברים לזכוכית מן התמיסה. כל תא מוצא לעצמו חוריר קטן אחר ונלכד בתוכו. על גבי זכוכית מיקרוסקופ אחת ניתן למיין עד ל- 10,000 תאים.
הטכנאי המתבונן במיקרוסקופ יכול לבדוק כל תא ולקבוע את תכונותיו. הוא יכול לקבוע, למשל, האם חלקים שונים בתא זוהרים כתוצאה מהצביעה הפלורסנטית, או את המהירות בה התא מתמלא בפלורסנציה – כלומר, את קצב היצמדות הסמן הפלורסנטי לגורמים שונים בתא. תוכנת מחשב פשוטה יכולה לעשות את אותן האבחנות. עמדתם של התאים השונים מסומנת על-ידי המחשב, ובסוף תהליך הסימון הממוחשב, מופעל תהליך הברירה המעשי. כל התאים שנבחרו מורחפים אל מחוץ למלכודות שלהם. ההרחפה מתבצעת על-ידי קרן לייזר ממוקדת, המופעלת באנרגיה נמוכה. עקב גודלם הזעיר של התאים, קרן האור המרוכזת יכולה לדחוף אותם כלפי מעלה, אל מחוץ לשוחות בהן הם לכודים. מהרגע שהתאים הגיחו אל מחוץ לחורים, מוזרם נוזל שסוחף את התאים המרחפים למיכל נפרד.
למרות שהלייזר מסוגל להפעיל כוח על התאים, אין לו מספיק אנרגיה כדי לפגוע בהם לרעה. גם לאחר ההפרדה, התאים עליהם הופעל הלייזר נשארים חיים ושלמים, ומסוגלים להתחלק ולהמשיך בפעילות הביולוגית הרגילה שלהם.
שימושיה של המערכת רבים מספור. אחד מהשימושים העיקריים יכול להיות הפרדת תאים מסוגים שונים שנוצרו מתא גזע בודד, ובכך לייעל את תהליך השיבוט הרפואי. שימוש אפשרי אחר הוא הפרדת תאים המתגלים בבדיקות דם שונות. הליך זה יכול גם להביא לברירה של תאי דם אדומים הנושאים בתוכם טפילי מלאריה, ובכך לאפשר מחקר טוב יותר של המחלה. אפשרות אחרת היא במחקר של תהליכים תוך-תאיים, שכן המערכת יכולה להבדיל בין תהליכים המתרחשים בגוף התא לבין התהליכים המשפיעים על האוצר החשוב ביותר של התא : הדנ”א שבתוך הגרעין עצמו, המכיל את הוראות ההפעלה לכל התא. במידה ומשתמשים במיקרוסקופ חזק מספיק, יתכן בהחלט שהמערכת תוכל להבדיל בין תאים בשלבי קליטה שונים של אותות מחוץ לתא, ובכך להקפיץ קדימה את מדע הביולוגיה המולקולרית.
וולדמן וקובאק ממשיכים לשכלל את המערכת, כאשר העבודה מתמקדת כרגע על קלות השימוש ושיפור הסטריליות של המערכת. וולדמן אומר שבניגוד לטכניקות הפרדה יקרות אחרות, כגון מלקחיים אופטיים שניתן למצוא רק במרכזים גדולים למחקר, המערכת החדשה יכולה לעלות רק כמה אלפי דולרים. הוא צופה שניתן יהיה להשתמש בהבמעבדות מחקר ביולוגיות רבות, ואפילו במרפאות קליניות.

תמונה 1 : MIT פיתחה מערכת חדשה לברירת תאים, המשלבת 'מלכודות' מיוחדות בשכבת סיליקון הצמודה לזכוכית מיקרוסקופ. תאים בעלי התכונות הרצויות מורחפים אל מחוץ לגומות שלהם בעזרת הלחץ המופעל מקרן לייזר ממוקדת באנרגיה נמוכה. לאחר שהתאים מורחפים אל מחוץ לחורים, שכבת הסיליקון נשטפת בנוזל הסוחף את התאים למיכל נפרד. התמונה באדיבות ג'וזף קובאק, MIT.

לידיעה באתר MIT