דוקטורנט בדרכים – חלק שישי – ההרצאה של רועי

הרגע הגדול הגיע, רועי צזנה מספר על המחקר שלו העוסק ביצירת פיגומים להנדסת רקמות. אחריו עולה על הבמה אחד מראשי פרויקט המוח הכחול… לא אין זה מה שאתם חושבים – קבוצת חוקרים, בסיוע הענק הכחול – יבמ בונה בשווייץ מחשב על שינסה לחקות את פעולות המוח האנושי

הסטודנטית מהטכניון והאולטרא-סאונד

היום היום הגדול, בו אני מעביר סוף-סוף את ההרצאה שלי. אבל לפני זה עוד יש כמה שעות טובות, וגם הרצאה של הסטודנטית מהטכניון. אני משתתף בתור קהל לאות סולידריות, למרות שהנושא קצת בעייתי עבורי: אולטרא-סאונד. טוב, זה לא שהוא באמת כזה נורא, אבל כל המקצוע הזה מערב כמות לא נעימה של מתמטיקה ופיזיקה ואני מעדיף באופן רגיל להתרחק ממנו ושיתרחק ממני.

ההרצאה הראשונה בסמינר מתחילה דווקא טוב. רופא אירופאי צעיר ונאה עולה לבמה. הוא מאד מזכיר את הרופאים הצעירים והדוגמנים מסדרות הטלוויזיה השונות ואפילו מדבר בצורה סבירה, עם הסבר בדקה הראשונה איך גילו תופעה חדשה ומוזרה במעבדה שלהם, ועד כאן הכל בסדר. ואז הוא מסביר איך הם מפרשים אותה, ופתאום הכל משתבש: משוואות באורך הגלות רצות על המסך, כל האלפא-בית הרומאי, היווני והרוסי מרצד למול עיני, עם מספר אמיתי אחד או שניים שמופיע פה ושם. בנקודה כלשהי הסטודנטית שלידי נועצת בי מרפק ולוחשת לי שזה גם מה שהיא עובדת עליו. עד עכשיו אין לי מושג אם היא התכוונה לגמא, לסיגמא, לדלתא או לנעבלה (כן, יש אות כזו).

ההרצאה של הסטודנטית האנונימית מהטכניון עוברת היטב, כשאני מצלם אותה גם במצלמת וידאו וגם במצלמה רגילה, שיהיה תיעוד לכל המשפחה. הרצאה באמת מצוינת. אני לא מבין הרבה, אבל היא מדברת בקול רם וברור, לא מהר מדי ובאופן כללי מצליחה ליצור תחושה שהמחקר שלה באמת חשוב.

ההרצאה הבאה עסקה בשאלה כיצד משפיעה המיקרו-גרביטציה על הגוף.

ההרצאה שלי: פיגום חדשני להנדסת רקמות

והנה אנחנו שעה אחת לפני תחילת הסמינר שלי. לשם שינוי מגישים אוכל טוב בארוחת הצהריים – בשר צבי עדין ורך, תפוחי-אדמה שטוגנו בדיוק במידה הנכונה, פסטה ברוטב עגבניות ולחמניות קטנות וטריות עם קליפה פריכה. אני שולט בעצמי ורק טועם מכל אחת מהמנות. חשוב שלא למלא את הקיבה יותר מדי לקראת ההרצאה. זה יתנקם בי לקראת סוף היום (דהיינו, עכשיו, כשאני כותב את הדיווח על בטן ריקה, כי צריך להעלות אותו לאתר בזמן סביר), אבל זה עזר במהלך ההרצאה. אה, ובסוף לא היתה לי עניבה.

ובכל זאת, הנה הגיע הרגע, להסביר לקוראים וגם לקהל בסמינר: למה בעצם אני כאן בבלגיה?

המחקר שלי מתרכז בהנדסת רקמות, ובמיוחד ביצירת פיגומים להנדסת רקמות. תאים בפני עצמם לא ישאפו ליצור מבנה תלת-מימדי בצלחת הגידול, אלא אם נעודד אותם לזה וניתן להם את התנאים הנכונים. הפיגומים שלי מנסים לתת לתאים את התנאים הנכונים האלה – התאים גדלים מסביבם, חודרים לתוכם ויוצרים בתוכם רקמה אמיתית. בהנדסת הרקמות של היום הפיגומים הם חלק בלתי-נפרד מגידול התאים, ואין מעבדה של הנדסת רקמות שלא עובדת איתם, או מנסה לפתח פיגומים משלה.

אני יוצר את הפיגומים שלי בשיטה שנקראת אלקטרו-ספינינג, או טוויה חשמלית בעברית. אנחנו לוקחים פולימרים מסוגים שונים, ממיסים אותם, ואז מזריקים באיטיות את התמיסה דרך מזרק, ומפעילים עליה מתח חשמלי גבוה מאד – בין 10,000 ל- 40,000 וולט. מה שקורה, בקיצור נמרץ וקצת בהפשטה, הוא שהתמיסה מתחשמלת ושואפת להגיע למשטח שמתחת למזרק שמאורק לרצפה. מכיוון שהצמיגות שלה היא בערך כמו זו של מסטיק, הטיפה שיוצאת מקצה המזרק הולכת ומתארכת עד שהיא יוצרת סיב שנופל למשטח. אם מפעילים את כל הפרמטרים הנכונים, אנחנו יכולים להגיע לסיבים שהקוטר שלהם יהיה זה של אלפית השערה. ולהלן: ננו-סיב. הרבה ננו-סיבים כאלה שנופלים זה על גבי זה יוצרים פיגום שלתוכו התאים יכולים לזחול ולגדול.

עד עכשיו נהדר, אבל קיימת בעיה. הפיגום צריך להיות חלול עד כמה שאפשר, כדי שיהיה שם הרבה מקום והתאים יוכלו לגדול כמו שצריך. פיגומים רגילים שנוצרים באלקטרו-ספינינג לא תמיד מכילים חלל מספיק גדול, ולכן התאים מתקשים בחדירה ובגדילה. כאן נכנסת השיטה שפיתחתי עם המנחים שלי, ואותה כינינו הידרו-ספינינג – טוויה מימית.

במקום שהסיבים יפלו על משטח מתכת מוצק, בהידרו-ספינינג הם נופלים לתוך אמבט מים. מכיוון שהסיבים עשויים מפולימר הידרופובי הם צפים על פני השטח ויוצרים שכבה דקה של ננו-סיבים. בנקודה הזו אנו מרימים אותם מעל פני השטח עם זכוכית, ומקבלים שכבה דקה מאד – בעובי של כמה מיקרומטרים – על הזכוכית. אנחנו מחכים כמה דקות להיווצרות של שכבה חדשה על פני המים, ואז מרימים גם אותה עם אותה זכוכית – ואז יש לנו שתי שכבות, אחת על גבי השניה. על התהליך הזה אנחנו חוזרים כמה פעמים שנרצה – עשר, מאה, או אלף פעמים – ובסוף מקבלים פיגום המורכב משכבות רבות של ננו-סיבים, שכל אחת מהן מופרדת מהאחרות בשכבה עדינה של מים שהצטברו ביניהן.

כשאנחנו מכניסים את הפיגום הזה לסביבת ואקום, קורה דבר מופלא. המים מנסים להתנדף החוצה במהירות, אך השכבות של הננו-סיבים חוסמות את היציאה שלהם. ובכל זאת, מכיוון שהמים מפעילים הרבה כוח והפולימר עדיין רך מהטוויה, הם מצליחים למתוח אותו ולהימלט מתוך הפיגום. המתיחה הזו על השכבות גורמת לפיגום להתנפח מבפנים, כמו בלון, ולהגדיל את הנפח שלו פי עשר – מה שאומר שעכשיו יש הרבה יותר חללים ריקים בתוך הפיגום בתוכם התאים יכולים לשבת.

וזה, באופן כללי, כל הרעיון. בניסויים שעשינו עם תאי שריר עכבריים הראנו שהם יכולים לחדור לפיגום שנוצר בהידרו-ספינינג הרבה יותר טוב משהם חודרים לפיגום שנוצר באלקטרו-ספינינג. ניסויים אחרים נערכו עם תאי גזע עובריים אנושיים, שלא מצליחים בכלל לחדור לפיגום שנוצר באלקטרו-ספינינג. לפיגום החדש שלנו, לעומת זאת, הם חודרים היטב וגם מצליחים ליצור בתוכו מבנים גליליים המזכירים כלי-דם או תעלות עצבים. כפי שכבר הסברתי קודם לכן, פרס נובל לא יצא מזה, אבל זו טכניקה שיכולה לקדם את התחום בעוד צעד קטן אחד.

נראה היה שהקהל ומנחי הסמינר התרשמו. קשה לדעת בוודאות, אבל היו כמה אנשים שהרימו את היד ושאלו שאלות מעניינות על השיטה ועל ההגיון שעומד מאחוריה. תודה לאל, אף אחד מהם לא שאל את השאלות שהיו יכולות להכשיל אותי – כמו על התאים, למשל. מאד קשה לעבוד עם תאי גזע עובריים אנושיים ולהבין לאיזה סוגי תאים הם התמיינו, ולשאלה הזו באמת לא היתה לי תשובה ברורה.

פרויקט המוח הכחול

אחרי ההרצאה שלי, הלכתי להרצאה כללית של א. מרקראם, מנהל פרויקט המוח הכחול בשווייץ. בפרויקט המוח הכחול מנסים לחקות את דרך הפעולה של המוח האנושי באמצעות מחשב-על וכמה עשרות אלפי מעבדים. כל מעבד מדמה נוירון אחד ויחיד, המיוצג באמצעות מודל מתמטי מורכב שמתאר את כל הקישורים שלו במרחב לנוירונים האחרים. מחשב אחד כזה מספיק ליצירת סימולציה של עמודה קורטיקלית אחת, שהיא היחידה המבנית הבסיסית של המוח האנושי. כל עמודה כזו מכילה בסביבות עשרת-אלפים נוירונים, והחוקרים בפרויקט מנסים להבין את העקרונות המבניים והחישוביים לפיהם עובדים הנוירונים ולהעתיק אותם לתוך מחשב-העל. את זה הם כבר די הצליחו, לפחות בעמודה אחת, ובימים אלו מוסיפים למודל גם את הפלסטיות של הנוירונים – את התהליכים שמאפשרים להם ליצור קשרים טובים יותר או פחות עם נוירונים אחרים, ואפילו להתנתק ולהתחבר לנוירונים חדשים.

איך ניתן להשתמש בטכנולוגיה הזו? בתור התחלה, ניתן להשתמש בה להשוואה עם מחקרים ממשיים וניסויים על המוח. כל שבוע צוות הפרויקט בונה מודל חדש עם מגבלות ביולוגיות חדשות. אפילו מבלי שהם מנסים לגרום למודלים לעשות משהו מוגדר, התוצאות חושפות בכל פעם תובנות חדשות על המבנה העצבי של המוח.

זה הכל? ממש לא. מחלות הקשורות למוח עולות טריליון דולר לשנה (אלף מיליארד). רק אלצהיימר עולה 100 מיליארד דולר לשנה בארצות-הברית בלבד. אין אפילו תרופה אחת כיום שאנחנו יודעים בדיוק מה היא עושה במוח, או איך היא עושה את הפעולה שלה ומשפיעה על החישוביות במוח. גם במקרה של מחלות, אנחנו יכולים להבין שיש גן שלא פועל או חלבון פגום, אבל אנחנו לא יודעים איך זה משפיע על החישוביות במוח. האם אנחנו יכולים להבין את זה? לדעת מרקראם, בהחלט כן. לפי התחזיות שלו, עד שנת 2030 אפילו מחשבים שולחניים יוכלו לבצע סימולציות מוחיות משוכללות ביותר. והעתיד, מי יישורנו.

קשה לי שלא להרגיש שאני נכשל בהעברת התחושות שפכפכו בקהל בזמן ההרצאה, מכיוון שאני משתמש כאן במילים בלבד. חלק נכבד מהמצגת הוקדש לסרטים שהופקו מהמודלים וממחשב-העל. ראינו אלפי נוירונים מחוברים זה לזה, משדרים זה לזה ומדברים זה עם זה. ואני סמוך ובטוח שבמוחו של כל אחד מהיושבים באודיטוריום החשוך עברה אותה מחשבה: דבר דומה קורה עכשיו במוח שלי כשאני חושב את המחשבה הזו. התובנה הזו, שהמוח שלנו הוא האיבר היחיד החושב על עצמו, היתה מסעירה ומרוממת ופתחה את הדרך למחשבות רבות נוספות – איך אפשר להשפיע על המוח? האם אפשר להאיץ את קצב המחשבה? האם נוכל להנדס מחדש את מוחנו, ברגע שנבין את עקרונות הפעולה שלו? התשובות – בפרויקט ‘המוח הכחול’.

חידושים ופיתוחים בהנדסת רקמות

מרוצה ושמח, עשיתי את דרכי לסמינר השני בהנדסת רקמות, שהסתיים בשעה 18:30 וחתם את היום. האירוע היחיד שנותר להיום הוא ארוחת הערב החגיגית של הקונגרס, אבל במחיר של 85 אירו לסועד… ויתרתי, תודה. לפחות הסמינר עצמו היה מעניין מאד, עם מחקרים יוצאי-דופן של כמה חוקרים צעירים.

ראשונה עלתה לבמה שרה צ’קה מאירלנד, שניסתה לתאר במודל את תהליך הגדילה של רקמה. הכל מתחיל בכך שתאי גזע נודדים לרקמה המתחדשת, מתחלקים, מתמיינים ויוצרים את התאים ספציפיים שברקמה. צ’קה ערכה מחקר באמצעות אנליזת אלמנטים סופיים ויצרה סימולציה של הסביבה המכנית של הרקמה. הרקמה במודל מחולקת למערך תלת-מימדי של תאים, שכל אחד מהם מתחלק, מתמיין ונודד לפי תבנית מסוימת.

המודל, כמובן, גס מאד ואינו מתיימר לכלול את כל הפרמטרים במידת הדיוק הנחוצה, אבל זו התחלה. היא לקחה בחשבון את כלי הדם הסמוכים לתאים ואת קצב וכיוון הגדילה שלהם, את יכולת ההתמיינות השונה של התאים לפי כוחות הגזירה המופעלים עליהם והחמצן שהם מקבלים ואת קצב התבגרות התאים. היא הזינה את כל הנתונים הללו למודל שיצרה והשתמשה בו לניבוי צמיחת כלי הדם והתאים השונים בממשק שבין עצם לשתל. לפי המודל גדלים בממשק קודם כל הפיברובלסטים ומשפרים את היכולות המכניות של האיזור, לאחר מכן עולה כמות הכונדרוציטים – תאי הסחוס – ולאחר 22 יום מתחילים להתמיין גם תאי עצם – אוסטאובלסטים.

ומה אם מפעילים משקל על הממשק (למשל בדריכה בלתי-פוסקת על הרגל)? במקרה זה הרוב המכריע של התאים הם פיברובלסטים, ורק מעט מאד מתמיינים לתאי עצם, לתאי סחוס או לכלי דם. כל זה מעניין מאד לרופאים ולמהנדסים הביו-רפואיים שצריכים להבין מה קורה בממשק שבין השתל לעצם ואיך אפשר לשפר את ההתרחשויות.

חוקר אחר, סטפנוס דיאמאנטורוס מגרמניה, סיפר לנו על הנסיון שלו ליצור מערכת שתבין מה קורה לשתלים לאחר מספר שנים בגוף. אנו יודעים שהרקמות המושתלות עומדות במשך כמה חודשים לפחות בכוחות המופעלים עליהן בגוף, אך קשה לערוך ניסוי לאורך שנים שיגלה מה קורה לרקמות לאחר שנים ארוכות בגוף. הפתרון של סטפנוס היה לגדל את הרקמות בביו-ריאקטור מחוץ לגוף, ולהפעיל עליהן פעימות המדמות את הלחצים שהן חוות בתוך הגוף. לאחר מכן הוא התחיל להגדיל את קצב הפעימות, כדי לדמות את סך-כל הכוחות הפועלים על הרקמה לאורך זמן. במילים אחרות, אם לאורך 5 שנים הרקמה חווה קצב פעימות של פעימה לשנייה, הרי שאפשר יהיה לדמות את אותה השפעה על רקמה שחווה קצב פעימות של עשר פעימות לשנייה, במשך שישה חודשים. סטפנוס הראה את המערכת שלו והסביר את עקרונות הפעולה שלה, אך למרבה הצער עדיין לא היו תוצאות סופיות עם תאים או רקמות.

מליסה מאתרס סיימה את ההרצאות באותו יום בתיאור פרויקט רפואה שיקומית (רגנרטיבית) חדש שנועד להכניס את הרפואה השיקומית לתעשיה. הפרויקט נקרא ‘רמדי’ ונועד להפיק טכנולוגיות חדשות לחידוש רקמות שיהיו זמינות לרפואה העולמית. מבחינת מבט ביולוגית, חומרים רבים הנחוצים להנדסת רקמות נמצאים ממש בהישג היד (למשל, קולגן), אך הם אינם זמינים לייצור תעשייתי של שתלים או רקמות להשתלה. לפי מאתרס, שתי חברות גדולות להנדסת רקמות התמוטטו בשנים האחרונות מכיוון שהמכירות היו זעומות בהשוואה להשקעה, ודרכי הייצור של הפיגומים לא היו יעילות.

במסגרת המחקר בדקה מאתרס את תכונותיהם של פיגומים המיוצרים מ- PLLA בלחץ גבוה, בטמפרטורות החדר וללא שימוש בממסים אורגניים, והטוב ביותר – בשיטות שניתן להעביר לתעשייה בקלות. מאתרס ניסתה לכמת ולתעד את דרך יצירת הפיגום באמצעות מעקב אחר הפולימר התופח תחת לחץ, וליצור מודל של הפיגום הנוצר.

לסיכום, הפרויקט מונע מתוך חזון פשוט אך חשוב: לאתר אסטרטגיות הנדסה יעילות שניתן ליישם לשיפור תהליך ייצור הרקמות. למהנדסים יש תפקיד חשוב בהנדסת הרקמות, ולא רק לביולוגים, במטרה למצוא את הדרכים להגדלת הייצור והתוצר של הנדסת רקמות.

אולי זה גם המקום לספר שמצאתי שלושה אנשים שנראה שמתעניינים בשיתוף פעולה במחקר. זה באמת יכול לקדם את הדוקטורט שלי. נקווה שיצא מזה משהו.

ועכשיו, לאכול! יש פרה בבלגיה שהשם שלי חתום עליה, ואני מתכוון לצאת עכשיו מהמלון ולאתר אותה.

אל תחמיצו את הפרק הבא של… “דוקטורנט בדרכים!” (בו אני מתאר את סוף הכנס, הטיול המתוכנן בגן החיות עם הסטודנטית האנונימית וקניית המתנות לכל המשפחה)