“מערכת מוח על גבי שבב גילתה לנו פרטים חדשים על פעילות מחסום דם-מוח, שיעזרו בטיפולים באלצהיימר והשפעת סמים”

כך אומר ד”ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, שמחקר בו היה שותף פורסם השבוע ב-Nature Biotechnology. בנוסף, גילו החוקרים כיצד הסם קריסטל מת’ משפיע על תאי המוח והדם במחסום שביניהם. לדבריו שבבים ביולוגיים יוכלו לשמש תחליף לניסויים בבעלי חיים

“מערכת מוח על גבי שבב גילתה לנו פרטים חדשים על פעילות מחסום דם-מוח, שיעזרו בטיפולים במחלות כמו פרקינסון ואלצהיימר”. כך אומר ד”ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, שבמסגרת מחקר שביצע ביחד עם חוקרים ממכון וייס, אוניברסיטת הרווארד ומכון KTH השבדי, יצר מודל המחקה את מעבר הנוזלים מהדם למוח האנושי באמצעות “איבר-על-שבב” (Organ-on-a-Chip). תוצאות המחקר פורץ הדרך התפרסמו (ב’, 20.8.18)  בכתב העת Nature Biotechnology.

בראיון לאתר הידען מסביר ד”ר מעוז כי המערכת שבנו הוכיחה כי כלי הדם המובילים דם למוח אינם רק צינור שמווסת את כמות הדם והנוירונים אלא שגם יש להם תקשורת ישירה ומשמעותית מאוד עם הנוירונים, כל כך משמעותית שכל כימיקל שמשחררים כלי הדם משפיעים על פעילות הנוירונים. התגלית השניה היתה למעשה אישוש למודל, כאשר החוקרים הזינו את כלי הדם בסם המסוכן קריסטל מת’ והראו שהתגובה של העצבים תואמת את מה שידוע על השפעת הסם ואפילו גילו השפעות שלא היו מוכרות עד כה. “מדובר במחקר שלא ניתן לביצוע בעכברים לדוגמה כי המוח הוא איבר דחוס, ובשיטות הקיימות לא ניתן למדוד אינטראקציות בין תאים שונים.

“המוח האנושי מורכב ממאה מיליארד נוירונים, השולטים בכל מחשבה ופעולה שלנו, והוא האיבר המורכב והעדין ביותר בגוף האדם. מכיוון שכך, המוח זקוק להגנה מיוחדת מפני רעלנים. כלי הדם המספקים למוח חמצן וחומרים מזינים סלקטיביים מאוד לגבי החומרים שיכולים לעבור מהדם למוח ולהפך, ולכן הם נקראים מחסום הדם-מוח (Brain-blood barrier). מעבר להיותו מחסום פיזי, המחסום מווסת באופן פעיל את תפקודי המוח, אלא שעד היום לא היה ברור כיצד הוויסות הזה נעשה בפועל.”

“ידוע שיש קשר בין כלי הדם של המוח לפעילות המוחית עצמה”, מסביר ד”ר מעוז. “על העיקרון הזה, למשל, פועלים מכשירי MRI: כשאנחנו מאמצים אזור מסוים של המוח, כלי הדם מזרימים יותר דם לאזור – והמכשיר מודד את הפעילות המוגברת. עם זאת, קשה מאוד להבין את האינטראקציה בין כלי הדם לתאי העצב ברמה התאית. מטבע הדברים לא ניתן לעבוד עם מוח אנושי חי, ואילו תאים בתרביות אינם משקפים את הקישוריות הזאת. הקישוריות בין התאים משפיעה מאוד על תכונותיהם. תאי עצב שגדלים בצלחת פטרי שונים בתכונותיהם מתאי עצב שמחוברים לתאי כלי הדם”.

הפתרון שמצא ד”ר מעוז הוא איבר-על-שבב: גידול רקמה אנושית מתרומת רקמות ומתאי גזע שהומרו לתאי איברים, כך שניתן לדמות את פעילות האיבר בצורה מבוקרת ולחבר בין החלקים השונים של המוח. בארבע השנים האחרונות בנה ד”ר מעוז מערכת חיה המדמה את האינטראקציות של המוח אנושי: רקמת מוח-על-שבב, המחוברת לשתי רקמות כלי דם ותאי עצב המדמות את מחסום הדם-מוח.

“איבר-על-שבב זאת טכנולוגיה שהומצאה לפני כעשור”, מסביר ד”ר מעוז, “אבל היישום שלה בהבנת תהליכים ביולוגים בסיסיים במוח היה מוגבל מאוד. הסיבה לכך הייתה שעד כה בחנו את רקמת המוח במנותק ממחסום הדם. אנחנו יצרנו מערכת שלמה והוכחנו שהיא עובדת. כך, למשל, הכנסנו מתאמפטמין, הסם מהסדרה ‘שובר שורות’, לשבבי תאי הדם וראינו שאנחנו מקבלים על שבב המוח את אותן התופעות שמתקבלות אצל אנשים המשתמשים בסם”.

הרעיון הוא לקחת תאים של בני אדם ולחקות את התפקוד של איבר מסויים בתוך מחסנית מפלסטיק שאנו מכנים אותה שבב. לדוגמה, הכליה היא מסננת. אם נצליח לקחת תאי כליה של אדם, לייצר מהם מסננת ולהכניס לפיסת פלסטיק נקרא לזה כליה על שבב. הלב הוא משאבה – אם אני מצליח לקחת תאי לב של אדם לבנות מזה משהו שמתכווץ כמו משאבה, נקרא לזה לב על שבב. אפשר לעשות זאת לכל איבר. לקחת את הפונקציונליות שלה באמצעות טכנולוגיות של הנדסת רקמות ,להכניס למחסנית מפלסטיק ולגדל במעבדה.

“היתרון בחיקוי איברים על שבב הוא שניתן לחבר את כל השבבים הללו , למשל של כליות, לב ומעיים ולראות כיצד משפיעה תרופה לאיבר אחד על איברים אחרים, למשל את תופעות הלוואי של תרופה ללב על הכבד, סוג של מחקר שקשה מאוד לבצע בצורה אחרת. בנוסף, מכיוון שהתאים שאני עובד איתם הם תאים של אדם, היישות שאני בונה במעבדה, זה מיני אדם על שבב. במחקר הנוכחי בדקנו את המוח. המוח הוא איבר מורכב יש בו המון איזורים שלכל אחד תפקוד משלו, אבל יש מכנה משותף לכולם – הם מכילים עצבים המתקשרים עם כלי הדם באמצעות מחסום הדם-מוח.  האיזור הזה מעניין במיוחד כי כל חומר כימי שיגיע למוח דרך הדם צריך לעבור את מחסום הדם-מוח. המחסום דואג שרעלנים וחיידקים לא ייכנסו. מצד שני אותו מנגנון מקשה גם על תרופות, מורכבות ממולקולות גדולות להכנס למוח.”

“לקחנו את האיזור הזה של האינטראקציה בין כלי הדם של המוח ותאי העצב של המוח ופרקנו אותו לשני שבבים – האחד מחקה את תאי העצב – הנוירונים – והשני את כלי הדם ושמרנו על התקשורת בין שני השבבים.  המודל הזה מעניין מאוד חברות תרופות המחפשות תרופות למחלות נוירודגנרטיביות כגון אלצהיימר ופרקינסון, שקשה מאוד לרפא בגלל שאי אפשר להעביר את התרופות דרך מחסום הדם-מוח. ומלבד זאת זה כמובן מעניין את חוקרי המוח העוסקים במדע בסיסי.”

תחליף לניסויים בבעלי חיים

“למעלה משישים אחוזים מהתרופות שעוברות בהצלחה ניסויים בבעלי חיים נכשלות בשלב הניסויים על בני אדם”, אומר ד”ר מעוז. “למרות הדמיון, מוח של עכבר פשוט אינו מוח של אדם. יתרה מכך, מחלות נוירודגנרטיביות הן מחלות שאופייניות בעיקר לבני אדם. אמנם משתמשים בעכברים המדמים מחלות כגון אלצהיימר, אבל זה לא בדיוק אותו הדבר. מסיבה זו אנו שואפים לבנות מוח-על-שבב מתאי אדם, שידמה את תפקוד המוח במצב תקין ובמצבי מחלה. המוח שבנינו במעבדה מאפשר לנו לבחון תהליכים ביולוגיים מורכבים ואת השפעתן של תרופות על בני אדם מבלי לסכן איש, ומבלי להרע לחיה, וזאת בדרך יעילה מאי פעם. איבר-על-שבב הוא לא רק כלי מחקרי. ה-FDA כבר יצא ביוזמת פיתוח איברים-על-שבבים כחלק מתהליך פיתוח התרופות, ומספר שיתופי פעולה כבר נוצרו בין המעבדה שלי לחברות תרופות מהארץ ומהעולם”.

“בימים אלה, אנחנו מוסיפים איברים נוספים, כמו מערכת חיסונית וכבד, במטרה לבנות לבסוף מודל שלם של גוף האדם על שבבים, שיחליף את הצורך בחיות במעבדה ויעניק לחוקרים רזולוציות חסרות תקדים להשפעה של כימיקלים שונים על מוח האדם – ולהתפתחותן הביולוגית של מחלות שונות הייחודיות לאדם”. אומר ד”ר מעוז.

“אם נלך על תחזית מתחום המדע הבדיוני, השאיפה היא להגיע למצב של פיתוח אדם שלם על שבבים, כשכל שבב מייצג איבר אחר בגופו, כאשר ניתן יהיה לקחת תא מעורו, להפוך אותו לתא גזע וממנו לשאר התאים, ולאחר מכן לבדוק השפעה של תרופה על החולה הספציפי בעזרת האיברים על שבב”, מסכם ד”ר מעוז.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• “המטרה – להבין כיצד המוח פועל ולהפיק מכך גם תובנות לתחומים אחרים”
• ‫מדעי המוח – גבולות התבונה
• השלב הבא באבולוציה האנושית – חלק ב’ ממשק אדם מכונה