מודל ממוחשב יאפשר למצוא הקשר בין פצעים לתפקוד מכאני של תאים

המודל ממוחשב שפותח באוניברסיטת תל אביב גם יבטל את הצורך בניסויים בבע”ח

חוקרים באוניברסיטת תל אביב פיתחו מודל ממוחשב של עומס על תאים בניסויים הבודקים סיבולת של רקמות לעומסים מכאניים בהקשר לפצעים כרוניים, כגון פצעי לחץ. הפיתוח יחסוך בחיי בעלי חיים ויאפשר שיפור איכות הניסויים הרפואיים.

עבודת המחקר של פרופ' גפן והדוקטורנטית בהנחייתו, גב' סלומקה, התפרסמה היום בכתב-העת המדעי הבינלאומי המוביל בביומכניקה, Journal of Biomechanics.

אחת הבעיות האתיות והמעשיות העומדות בפני המחקר המדעי היא הצורך, שבמקרים רבים הוא בלתי נמנע, לבצע ניסויים בבעלי חיים. כעת לפחות בתחום אחד של מחקר ניתן לוותר על הניסויים בבעלי חיים לטובת ניסויים המשלבים תרביות רקמה ותוכנה ממוחשבת.

פרופ' עמית גפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה ע”ש איבי ואלדר פליישמן באוניברסיטת תל-אביב פיתח אלגוריתם ממוחשב, שכאשר סורקים לתוכו בתלת ממד תא חי באמצעות מיקרוסקופ לייזר קונפוקאלי, הוא מסוגל להמשיך ולבצע על המודל הממוחשב של אותו תא ניסויים רבים הגורמים לעיוות התא ולראות כיצד הוא יתנהג.

פרופ' גפן עוסק בשנים האחרונות במחקר של פצעים כרוניים, בעיקר פצעי לחץ וכיבים בכפות רגליים של חולי סוכרת שהוא הגורם הראשון לקטיעה של רגליים. פצעי לחץ, בניגוד למקובל לחשוב לא מופיעים רק אצל קשישים אלא אצל כל הסובלים מהפרעה מוטורית או סנסורית, החל מפגים דרך נפגעי תאונות דרכים שהפכו למשותקים, חולי שבץ ואפילו אנשים בריאים שנכנסו לניתוח ארוך ופיתחו פצעי לחץ. כדי לחקור את התחום וללמוד כיצד נוצר פצע לחץ וכיצד הוא מתפתח נדרש פרופ' גפן בתחילת דרכו לבצע ניסויים לא נעימים, בעיקר בחולדות, שהיו כרוכים בגרימת פצעים לחיות (המורדמות) ואשר סבלו מבעיות כגון הקושי בחזרה מדויקת על הניסוי כדי לאושש את תוצאתו.

בשנים האחרונות עבר פרופ' גפן להשתמש במקום זאת בתרביות רקמה – תאי עור, שריר, עצם וכל תא נדרש שהוצאו פעם אחת מגופם של בעלי חיים (ובחלק מהמקרים גם של בני אדם, עור למשל), ומאז הם התרבו במעבדה, וכל פעם ניתן לנצל אותם מחדש לניסויים.

באמצעות הפעלת לחצים על התאים בתרביות הרקמה, יכולים החוקרים ללמוד על תכונותיהם. כך התגלה כיצד מזרזים כיווץ או מתיחה של תאים את הרס התאים.

השלב הבא, שלאחר הניסוי הפיזי במעבדה הוא להמשיך לבצע ניסויים רבים על אותו תא כדי לבחון את התנהגותו וכדי לא להרוס את התא. בניסויים אלה מעבירים אותו למחשב, או יותר נכון סורקים אותו, ונותנים לאלגוריתם ממוחשב להמשיך “להתעלל” בתא, לשנות את התנאים הסביבתיים, להפעיל לחצים ולבחון את ההתנהגות של התא, כמו בכל ניסוי מדעי, לרבות חזרות בתנאים מבוקרים.

הם מציגים את השיטה שפיתחו – הכנת מודלים של תאים בשיטת האלמנטים הסופיים (Finite Element Analysis), טכניקה לחישוב נומרי של משוואות דיפרנציאליות. תחילה סורקים את התא באמצעות מיקרוסקופ לייזר קונפוקאלי ולאחר מכן מפעילים את האלגוריתם ומחשבים עבור התא המסויים שנסרק כיצד הוא עשוי להגיב בתנאים שונים לכוחות המופעלים עליו. השיטה פותחה במסגרת עבודת הדוקטורט של גב' נועה סלומקה, בהנחייתו של פרופ' גפן.

לדברי פרופ' גפן, זהו כיוון חדש במכאניקה של תאים, המאפשרת כימות של העיוות, המתיחות והלחצים בתוך תא וסביבו, כמו גם זיהוי של התכונות המכאניות של התאים והאברונים שבתוך התא אותם סורקים מתוך ניסוי בתרביות תאים.

“לאחרונה נערכו כמה נסיונות לפתח מודלים דו ממדיים ותלת ממדיים של תאים, תוך שימוש בגיאומטריה אידאלית של תאים או בהדמייה של תאים אמיתיים, ואולם מידול תלת ממדי מבוסס מיקרוסקופיה של תאים ספציפיים, שיאפשר ניתוח עיוותים בקנה מידה נרחב, לא פותח עד כה. המטרה שלנו היתה לפתח שיטת מידול שתספק ייצוג תלת ממדי ראילסטי של התאים, כולל הרכיבים התת-תאיים כגון גרעין התא, הנוזל התוך תאי (ציטוזול), קרום הפלזמה של התא ושלד התא, ויאפשר ניסויים בו זמניים של מכאניקת התא הכוללים עיוות גדול של התא.

“מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה שימשה לבניית הגיאומטריה המדויקת של תא שריר ותא עור כולל מרכיבים תת-תאיים שלהם.” אומר פרופ' גפן.

לדברי פרופ' גפן עד כה בוצעו באמצעות האלגוריתם שני ניסויים: דחיסה משטחת של התאים ומתיחת התאים על גבי משטח אלסטי. “חקרנו את עוצמת ופיזור הלחצים בתאים, במיוחד המתיחות של קרום התא ופני השטח של הגרעין, דבר שעשוי להשפיע על חדירות מבנים אלה ולפיכך להפריע לחילוף החומרים של התא. שימוש בשיטה שפיתחנו תאפשר להעשיר במידה ניכרת את הניסויים הבודקים מכאניקה של תאים בעיקר ניסויים קלאסיים בהם נבחנים העומסים על התא במקרה של דחיסת התא, מתיחתו, , תגובתו ללחץ שלילי (ואקום), ניקובו, הזזתו, כוחות החולפים דרך התא וכן לחץ הידרוסטטי. זאת באמצעות מתן ערכים לעוצמת ופיזור העומסים על תא ספציפי או על סוג ספציפי של תאים.”

פרופ' גפן מעריך כי השיטה שפיתח יכולה להפוך לשיטה גנרית לחקר השפעות חיצוניות על תאים לא רק בתחומי המחקר בהם עוסקת מעבדתו אלא במגוון רחב של תחומים, והיא תוכל להביא בין היתר גם לביטול הצורך לפחות בחלק מהניסויים בבעלי חיים. עבודת המחקר של פרופ' גפן והדוקטורנטית בהנחייתו, גב' סלומקה, התפרסמה השבוע בכתב-העת המדעי הבינלאומי המוביל בביומכניקה, Journal of Biomechanics.