האף האלקטרוני של חוסאם חאיק

האף האלקטרוני שמפתח דר' חוסאם חאיק מן הטכניון עשוי להתריע על סרטן כבר בשלבים הראשונים כחלק מבדיקות שגרתיות.

מאת איתן קריין

במרפאתו של רופא המשפחה יימצא בעתיד הלא רחוק מתקן בגודל של מחשב נישא. לאחר כמה נשיפות בצינורית המשתרבבת מן המכשיר וכמה דקות המתנה יוכל הרופא לקבל דוח על בריאות הנבדק, המבוסס על ניתוח הבל הפה שלו. הדוח יוכל להתריע על כך שהנבדק לקה בסרטן מסוג מסוים ואפילו לקבוע באיזה שלב עומדת המחלה, וכל זאת הרבה לפני שהופיעו תסמינים חיצוניים כלשהם. זהו החזון שד"ר חוסאם חאיק, מן הפקולטה להנדסה כימית ומכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון, עומל להגשים יחד עם 22 החוקרים בקבוצתו. "אבחון מוקדם של סרטן," אומר ד"ר חאיק במשרדו, "יעלה בשיעור ניכר את האפשרויות לטיפול ואת סיכויי ההחלמה." בעתיד הרחוק יותר מקווה ד"ר חאיק לפתח מכשיר שיוכל לאבחן מחלות רבות, אם סרטניות ואם אחרות. בימים אלה נבחן אב-טיפוס של "האף האלקטרוני" הזה במחלקה האונקולוגית בבית החולים רמב"ם בחיפה. המתקן כבר מסוגל לאבחן סרטן בשלבים מתקדמים ולהבדיל בין סרטן הריאות, המעי הגס והשד.

הרעיון לפתח "אף אלקטרוני" שיוכל לאבחן מחלות עלה בדעתו של ד"ר חאיק במהלך מחקר הפוסט-דוקטורט שלו במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech), שבו החל להתמחות בחיישני רחרוח אלקטרונים. אבל, החיישנים של אז לא התאימו למטרות רפואיות הדורשות רגישות ודיוק רב במחיר סביר. עם חזרתו לישראל והקמת מעבדתו בטכניון החל ד"ר חאיק במאמץ להתגבר על המכשולים בפיתוח אף אלקטרוני רפואי. והמכשולים היו רבים וגבוהים: ראשית, החיישנים שהיו בנמצא היו גדולים ולא רגישים. "האפים האלקטרוניים הרגילים היו יכולים לזהות לרוב חומרים בריכוז של כמה חלקים למיליון (ppm)" אומר חאיק. "אבל ריכוז החומרים המצויים בהבל הפה, המאפשרים זיהוי מחלות, קטן פי 1,000-10,000, כלומר ריכוזם נמוך עד 0.1 חלקים למיליארד (ppb)." מזעור החיישנים והגברת רגישותם חייבה את ד"ר חאיק לפנות לכיוון הננו-טכנולוגי ולהשתמש במיומנויות שרכש בתחום האלקטרוניקה המולקולרית במהלך מחקריו במכון ויצמן למדע בקבוצת המחקר של פרופסור דוד כאהן. "התקני-ננו מאפשרים רגישות גדולה יותר," מסביר חאיק, "מפני שהם מאפשרים שטח פנים אדיר, תכונות חשמליות משופרות ותכונות אופטיות ומכניות מיוחדות."

אך בכך לא תמו הקשיים. תאי סרטן, ותאים חולים אחרים, פולטים תרכובות מסוימות ואופייניות. כשהתרכובות האלה נסחפות בזרם הדם אל הריאות הן נפלטות החוצה. אבל תכונותיהן הכימיות שונות מאוד מאלה של התרכובות שידעו החיישנים המקובלים לזהות. "בעוד שרוב החיישנים הננומטריים המצויים כיום אינם מתקשים לזהות חומרים קוטביים, כמו חומרי נפץ למשל, החומרים שמעניינים אותנו אינם קוטביים" אומר חאיק. "מדובר בתרכובות אורגניות נדיפות שהחיישנים המצויים כיום מתקשים לזהות. המאמר הראשון שלנו בתחום היה גם הראשון שפרץ את הדרך לזיהוי אלקטרוני של חומרים כאלה באמצעות חיישנים ננו-מטריים."

הקשיים האלה מחייבים את הקבוצה החיפאית לפתח את כל החיישנים שלה בעצמה מאל"ף ועד תי"ו. החיישנים בנויים על בסיס של חלקיקי-ננו, חוטי-ננו או צינוריות-ננו פחמניות, שאליהם קשורות מולקולות אורגניות המשמשות כקולטנים.

האף האלקטרוני מקבל את השראתו ממערכת ההרחה האנושית או הכלבית. יש הבדל ניכר בין קולטני מערכת העצבים או מערכת החיסון לבין קולטני האף. קולטני מערכת העצבים נקשרים למולקולות מסוימות במנגנון של "מפתח ומנעול" ולכן הם מסוגלים לזהות חומרים מסוימים ברמת ספציפיות גבוהה. קולטני האף, לעומת זאת, סופחים אליהם חומרים בספיחה פיזיקלית-מכנית לא ספציפית. אבל מכיוון שבאף קיימים קולטנים רבים ומגוונים, מפת הספיחה אינה אחידה. כשאנו מריחים משהו, למשל את הניחוח העולה מכוס בירה, מגיעה אל אפנו תערובת המכילה יותר מ-700 חומרים שונים. האף אינו מבדיל בין כל החומרים אלא מעביר למוח, באמצעות מערכת העצבים, את תמונת הספיחה של מרכיבי התערובת אל הקולטנים השונים. המוח, שמתמחה בזיהוי תבניות, מזהה את התבנית, מקשר אותה לזיכרון וקובע: זאת בירה ולא יין.

האף האלקטרוני פועל באופן דומה: המתקן מכיל מערך של חיישני-ננו מגוונים ורבים. כל סוג חיישן נקשר לתרכובות אורגניות מסוג מסוים: אלקאנים, כהלים, אלדהידים, נגזרות בנזן ועוד. כשהנבדק נושף אל תוך המתקן, נקשרות המולקולות המצויות בהבל הפה אל החיישנים הרגישים ואלה מעבירים אות חשמלי אל שבב מחשב - ה"מוח" של המתקן. תבנית הספיחה שמגיעה לחיישנים מנותחת על ידי השבב, באמצעות אלגוריתמים של רשתות נוירונים שמתמחות אף הן בזיהוי תבניות. אם התבנית מתאימה לסוג מסוים של סרטן, שהשבב כבר "למד" להכיר בתכנות מוקדם, הוא מציג את האבחון.

כאמור, אב-טיפוס של אף אלקטרוני המסוגל לאבחן סרטן מצוי היום במבדקים קליניים, תחום שאליו נחשף חאיק לראשונה. למי שבא מתחום ההנדסה המפגש עם המציאות הביולוגית-רפואית אינו פשוט, אומר חאיק. לאחר שההתקן פועל היטב במעבדה, מציבים התנאים בשטח אתגרים מרתקים חדשים. מתברר שאפילו אופן הנשימה משפיע מאוד על התוצאות. הבדלים גנטיים, הרגלי תזונה, שינויים מטבוליים, הרגלי עישון, את כל אלה חייבים להביא בחשבון לפני שהמתקן יוכל לפעול בשטח.

מחקריו פורצי הדרך של ד"ר חוסאם חאיק זכו להכרה בין-לאומית רחבה. ב- 2006 זכה ד"ר חאיק במענק הצטיינות על שם מארי קירי מטעם האיחוד האירופי על סך של 1.73 מיליון אירו, המענק הגבוה ביותר שניתן מעולם לחוקר ישראלי יחיד. ב- 2008 בחר כתב העת Technology Review, שיוצא לאור מטעם המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), להכלילו ברשימת TR35 - רשימת 35 המדענים הצעירים המובילים בעולם. בסך הכול זכה ד"ר חאיק מאז החל את עבודתו בטכניון ב-17 פרסים, כמה מהם גם בתחום האלקטרוניקה המולקולרית שבו הוא עוסק במקביל. "האף האלקטרוני זוכה לחשיפה רבה," אומר חאיק. "אבל אנחנו עוסקים גם בהתקנים חשמליים מחומרים ננומטריים, במנגנוני הולכה במולקולות יחידות ובחיבור חשמלי של מולקולות אורגניות יחידות."

כיצד אפשר להתחרות בעולם ברמת הצלחה כזאת? "כשיש צוות מעולה כזה," אומר חאיק. "אפשר להתקדם. יש בצוות שלנו תלמידי מאסטר ודוקטורט מן המבריקים ביותר. אבל הדבר הקשה ביותר הוא להשיג את הפוסט-דוקטורנטים הטובים ביותר. כדי לעשות זאת יש להציע להם תכנית מחקר מושכת מאוד, ומשכורות הרבה יותר גבוהות מאלה שמציעים באמריקה..."