לגדל איברי אדם בגופם של בעלי חיים

דרך אחת להתגבר על המחסור באיברים היא גידול איברים במעבדה. עד לפני שנים מעטות סברו מדענים שהם יכולים לעשות זאת באמצעות תאי גזע: לקחת תאי אב, המסוגלים להעמיד רקמות מסוגים שונים, ולגדלם בתבניות או בפיגומים מלאכותיים לצורך ייצור איברים חדשים. ואולם, החוקרים מתקשים לתזמן ולתאם את התפתחות תאי הגזע כך שייוצר איבר אנושי תפקודי. המחקר בכיוון זה נמשך, אבל ההתקדמות בו אִטית.

קבוצה קטנה, אך הולכת וגדלה, של חוקרים שאני נמנה עמה, סבורה שעשויה להיות דרך אחרת: להניח לטבע להתאמץ במקומנו. האבולוציה כבר הניבה את התהליך המורכב להפליא שבו קומץ תאים זהים זה לזה הופכים לרקמות ולאיברים בעלי התמחויות שונות, הנדרשים לבנייה של אורגניזם שלם – אם עכבר ואם אדם. מופע גאוני זה מתרחש בשבועות ובחודשים לאחר שביצית מופרית מתחילה להתפתח לעובר שגדל ומתפתח, ללא שום תמיכה של פיגומים מלאכותיים, והעובר נעשה בעל חיים מושלם שיש לו לב, ריאות, כליות ואיברים אחרים. אנחנו סבורים שאפשר למצוא דרך לקחת איברים מבעלי חיים, כגון חזירים, ולהשתמש בהם בבני אדם.

כמובן, לב בריא של חזיר לא יביא תועלת רבה לאדם הזקוק להשתלת לב. ראשית, מערכת החיסון שלנו תדחה שֶתֶל שנלקח ממין ביולוגי אחר. (מסתמי הלב של חזירים הם תחליף מתאים לרקמת אדם רק לאחר שעברו טיפול כימי המונע תגובה חיסונית נגדם, תהליך שיהרוס את כושר התפקוד של איברים מורכבים). עמיתי ואני סבורים שאפשר לגדל איברים של אדם – הבנויים מתאי אדם בלבד, או כמעט רק מהם – בגוף של בעל חיים כגון חזיר או פרה. בעל החיים שייווצר הוא כִּימֶרה – יצור שגופו מורכב מתאים של שני מינים ביולוגיים, כמו הגריפון המיתולוגי, שיש לו ראש וכנפיים של נשר, וגוף של אריה. החלום שלנו הוא ליצור כימרה על ידי הזרקת תאי גזע של אדם לעוברים של בעל חיים שעברו הכנה מוקדמת, כך שעם הגיעם למלוא גודלם, הם יכילו כמה איברים בנויים מתאים של אדם. לאחר המתת החיה, נסיר ממנה את האיבר היחיד הזה, לב, כבד או כליה, הבנוי כולו מתאי אדם וניתן אותו לאדם הזקוק להשתלה.

הרעיון אולי נשמע מרחיק לכת, אבל חוקרים בארה”ב וביפן כבר הראו שהדבר אפשרי באופן עקרוני. כמה צוותים שונים הזריקו תאי גזע של חולדה לעוברים של עכברים, שההרכב הגנטי שלהם תוכנן מראש, והעבירו את העוברים לרחם של נקבות עכבר פונדקאיות. לאחר כמה שבועות של היריון, המליטו הפונדקאיות בעלי חיים שנראו והתנהגו כמו עכברים, למעט העובדה שלכולם היה לבלב של חולדה. חוקרים במעבדה שלי ובקבוצות מחקר אחרות עשו צעד נוסף, והזריקו תאי גזע של אדם לעוברים של חזירים. כמה מן ההזרקות האלה נקלטו, והצלחנו לוודא שהרקמה האנושית התחילה להתפתח באופן תקין. אחר כך העברנו את העוברים הכימריים לרחם של חזירות פונדקאיות, שם הנחנו להם להתפתח במשך שלושה-ארבעה שבועות. לאחר שנערוך עוד כמה ניסויים בשלבי ביניים, נאפשר לעוברים להתפתח במשך חודשיים-שלושה, ולאחר פרק הזמן הזה, נברר כמה מן התאים שלהם הם תאים של אדם. בהנחה שהניסויים האלה יעלו יפה – ושנקבל היתרים מרשויות מדינה ומרשויות מקומיות להמשיך בניסויים – אנו מצפים לאפשר לעוברים לגדול עד גמר ההיריון (הנמשך ארבעה חודשים אצל חזירים).

אנחנו עדיין רחוקים מאוד מיצירת חזרזירים כימריים. לפנינו עוד דרך ארוכה, ואנו צריכים לגלות את השיטה הטובה ביותר להכנת תאי הגזע של אדם ועוברים של בעלי חיים באופן שישמר את החַיוּת של הכימרות עד תום ההיריון. דברים רבים עלולים להשתבש בדרך. אבל גם אם לא יעלה בידינו ליצור איברים מושלמים, ייתכן שהשיטות שאנו מגלים במהלך העבודה יעזרו לנו להיטיב להבין את הופעתן של מחלות קשות וקטלניות רבות, ובכללן סרטן, את מהלכן ואת התופעות הקליניות שלהן. אם הגישה הזאת תצליח, עשויות להיות לה השלכות עצומות על טיפולים הכרוכים בהשתלת איברים. רשימות המתנה להשתלה עשויות להפוך לזיכרון רחוק כשנְפַתֵח אספקה שוטפת של חלקי גוף חלופיים מגופן של חיות משק, לעשרות אלפי אנשים סובלים בעולם כולו.

ללמוד מן הטבע

בשנים האחרונות, הידע של הביולוגים על התפתחות עוברים גדל כל כך, עד שאנחנו מתחילים בזהירות רבה לנסות להתאים את התהליך לדרישותינו. אנחנו גם מבינים עד כמה גדילת העובר כפופה למיקום המדויק של תאים שונים בנקודות זמן שונות באורגניזם המתפתח. התאים מייצרים ומשחררים חלבונים מיוחדים הקרויים גורמי גדילה, ואלה בתורם מפעילים או משתיקים, בהתאם לשינויים בריכוזים שלהם, שורה של הוראות גנטיות המכתיבות את תהליכי ההתפתחות. הצוותים במעבדה שלנו ובמקומות אחרים מסתמכים על הבנה חלקית זו ועל הרבה ניסוי וטעייה, ומבצעים שינויים בעוברים של חזירים במטרה לגרום להם ליצור רקמות שיובילו בסופו של דבר לבניית כליה, לבלב או איבר אחר של אדם.

חומרי הגלם המשמשים אותנו כוללים ביציות ותאי זרע של חזירים (הנלקחים מחיות בריאות), ותאי גזע של אדם (הגדלים בתרביות רקמה). אנו מפרים ביצית של חזיר בזרע של חזיר, ושעות מעטות לאחר מכן הביצית המופרית, הקרויה זיגוטה, מתחלקת לשני תאים, ואחר כך לארבעה תאים שנראים לכאורה זהים זה לזה. כל אחד מן התאים האלה מפעיל אותן קבוצות גנים בדנ”א שלו, וההפעלה מובילה לייצור חלבונים שונים שפעילותם, לצד השפעות אחרות, מעודדת את התאים להמשיך להתחלק.

עקב מערכת התגובות המורכבת בין גנים לחלבונים, התאים שהיו זהים בתחילה, מתחילים לנוע ולהתנהג בדרכים שונות תוך שהם מתחלקים ומתרבים. בתוך ימים מעטים נוצר כעין כדור של כמה מאות תאים, שקרוי בְּלַסְטוֹצִיסְט. זו הנקודה המאוחרת ביותר שבה אנחנו יכולים להזריק את תאי הגזע האנושיים, לפני שמתחילות להיווצר רקמות שונות, שבהמשך ייצרו את האיברים. מעבר לנקודת זמן זו, תאי הגזע של העובר יתעלמו מתאי הגזע הזרים, ואלה יתנוונו וימותו.

במהלך גדילתו, נוצרות בעובר שלוש שכבות תאים: שכבה חיצונית, שכבה אמצעית ושכבה פנימית, והמיקום של כל תא יחיד בתוך המכלול השלם, מקבל חשיבות גדולה יותר מכפי שהייתה לו עד אז. במחקרים קודמים נמצא למשל, שתאים מסוימים בתוך השכבה הפנימית מפעילים גן שנקרא בשם Pdx1 בתגובה לאותות שנושאים חלבונים בסביבתם המידית. השלב הזה מפעיל בתורו גנים רבים אחרים המתניעים את תהליך ההבשלה של הלבלב. לעומת זאת, כמה תאים בשכבה האמצעית מפעילים בתגובה לאותות חיצוניים את הגן Six2 המתחיל את יצירת הכליות. כך, אף על פי שכל התאים בגוף מכילים אותם רצפים של דנ”א, הסביבה המסוימת שבה מצוי תא כלשהו בשלב מסוים בהתפתחות העוברית, קובעת אילו גנים יופעלו או יושתקו, ועקב כך, איזו רקמה תתפתח מן התא.

העובדה שגן יחיד כגון Pdx1 או Six2 יכול להפעיל מסלול התפתחותי שלם המוביל לייצור לבלב או כליה, מקבלת חשיבות גדולה במיוחד במסע החקר שלנו. על ידי החְסָרָה של הגן האחד החיוני לגדילת לבלב (תהליך שאני ועמיתי מכנים “לרוקן את הגומחה” של תאי הגזע), עלה בידי המעבדה שלנו ליצור עוברי חזירים שאינם מפתחים את האיבר החיוני הזה אלא אם אנו מזריקים להם די תאי גזע אנושיים המכילים את הגן החסר. אם התאים שנוספו מבחוץ מתפתחים באופן תקין, הם יניבו איבר בשל שכולו בנוי מתאים של אדם. במצב האידאלי, כל שאר איברי החיה יהיו בנויים מתאי חזיר בלבד.

כפי שקורה לעתים תכופות במדע, כדי לברר איך אפשר לרוקן גומחה עוברית ואחר כך למלא אותה בתאי גזע של מין ביולוגי אחר, נדרשו תחילה ניסויים רבים במכרסמים. בסופו של דבר, ב-2010, הירומיטסו נאקאוצ’י, שעבד אז באוניברסיטת טוקיו, דיווח יחד עם עמיתיו על הצלחה בגידול עכבר שהיה לו לבלב של חולדה. לאחרונה, הצלחנו במעבדה שלי להנדס את ההרכב הגנטי של עוברי עכברים באופן שגרם להם להשתמש בתאי גזע של חולדה כמקור לתאים בעיניים שלהם. לאחר שלושה שבועות של היריון ברחם של עכברות פונדקאיות, העוברים האלה היו לעוברים מפותחים שהעיניים שלהם מכילות תאים של חולדה.

אתגרים

כל צעד במסע שלנו מחייב לשקול היטב בעיות שונות העלולות לצוץ. עכברים הם קטנים מכדי ליצור איברים בגודל שעשוי להועיל לבני אדם הזקוקים להשתלה, לכן אנו ממקדים עתה את המאמצים שלנו בגידול עוברים של חזירים. חזירים, והאיברים שלהם, יכולים לגדול כמעט לכל גודל הדרוש למנתחים כדי להשתיל איברים בבני אדם בעלי מידות גוף שונות. גם מֶשֶך ההיריון של חזירים ארוך מזה של עכברים (בעכברים נמשך ההיריון כ-20 יום), אם כי הוא קצר מזה של בני אדם. מאחר שעובר של אדם זקוק לתשעה חודשים כדי להגיע לגמר התפתחותו, החוקרים מנסים לפתח פעלולים ביוכימיים מסוימים שאמורים לסייע לתאי הגזע האנושיים להאיץ את השעונים הביולוגיים שלהם כך שהם יבשילו, או יתמיינו, בהתאם ללוח הזמנים של העובר הפונדקאי. יש להניח שיהיה קל יותר להתאים את התפתחות תאי האדם למשך ההיריון של חזיר מאשר להיריון הקצר בהרבה של עכבר.

עמיתי ואני מתמקדים עכשיו בגידול לבלב או כליה מתאי אדם מפני שאנחנו יודעים שגן יחיד מתחיל את ההתפתחות של האיברים האלה בעובר, ולכן התהליך פשוט למדי. באיברים אחרים, כגון הלב, תחילת ההתפתחות תלויה ככל הנראה בכמה גנים, ומשמעות הדבר היא שריקון הגומחה יחייב השתקה של יותר מגן אחד, פעולה קשה הרבה יותר. חוקרים בקבוצתו של ג’ורג’ צ’רץ’ מאוניברסיטת הרווארד התאימו לאחרונה את כלי עריכת הגנים CRISPR/Cas9 למטרה זו ובעזרתו הם יכולים לסלק כמה גנים המצויים במיקומים שונים בדנ”א של העובר. בדרך זו החוקרים מתכוננים לאפשרות לבצע מניפולציות מורכבות יותר כדי ליצור איברים אחרים, ככל שהדבר יידרש.

בעיה גדולה מזו היא להבטיח שתאי הגזע האנושיים המשמשים בניסויים יהיו ראשוניים במידה מספקת כדי להעמיד רקמות מסוגים שונים. בעיני הביולוגים המצב הפיזיולוגי הזה “תמים מבחינה התפתחותית”. תאי גזע עובריים, שאפשר להפיק מזיגוטות שנוצרו בהפריית מבחנה ונותרו במעבדות פוריות, מתאימים לצורך זה. ואולם, השימוש בהם שנוי במחלוקת.

במרוצת העשור האחרון השיגו חוקרים כמה הישגים טכניים שעשויים, במבט ראשון, לפתור את הדילמה. חוקרים מצאו דרך לגרום לתאים בוגרים שנלקחו מעור או ממעי של אדם בוגר, להפוך לכעין תאי גזע, הקרויים תאים פְּלוּריפּוֹטֶנטים מוּשרים, או iPSC. ניסויים בתאי iPSC אנושיים במקום בתאי גזע עובריים יהיו בוודאי קבילים יותר מבחינה אתית. לשימוש בהם אמור להיות יתרון נוסף המתבטא בכך שבעתיד החוקרים יוכלו ליצור לכל מטופל איבר להשתלה שמותאם לו מבחינה גנטית ולכן גם לא יעורר דחייה חיסונית.

עם זאת, מחקר מעמיק בתאי iPSC, שנוצרו בדרך המקובלת עד עתה, מעלה שהם אינם תמימים כל כך כפי שהם אמורים להיות כדי לשרוד בתוך עובר כימרה. למעשה הם מצויים במצב מתקדם לקראת הפיכתם לתאים מסוגים מוגדרים, וכבר אינם מסוגלים להגיב לאותות הביוכימיים המגיעים מתאי העובר, שאומרים להם להתפתח למשהו אחר. מאחר שתאי iPSC אינם מגיבים בדרך נכונה לאותות משאר תאי העובר, הם מזוהים כתאים זרים ונדחים על ידי העובר.

לאחרונה, ג’וּן ווּ מן המעבדה שלי החל לטפל בתאי iPSC של אדם בשילוב מיוחד של גורמי גדילה המאפשר לפחות לחלק מהם להגיב באופן תקין לטווח רחב יותר של אותות מתאי עובר. בעת כתיבת הדברים, הקבוצה שלנו השיגה תוצאות ראשוניות המראות שהתאים המטופלים שלנו יכולים להשתלב באופן תקין בבלסטוציסטים. עמיתי ואני עצרנו את גדילת העוברים בנקודות זמן שונות לאחר ההפריה ובדקנו אותם במיקרוסקופ כדי לברר עד כמה הצליחו התאים המוזרקים להשתלב עם התאים של העובר שלתוכו הם הוחדרו. בהמשך אנחנו מתכננים לאפשר לעוברים להתפתח לזמן ארוך יותר, עד שיהיו בני שישה שבועות, גיל שבו אפשר לראות את ניצני האיברים. בנקודת זמן זו, יתחילו העוברים לייצר את המבנים המוקדמים של רקמות הגוף והאיברים השונים.

ואולם, גם אם יעלה בידינו ליצור תאי iPSC של אדם שיכולים להיקלט באופן מלא בעוברי חזירים, דרכנו עדיין לא תסתיים. מבחינה אבולוציונית אין בין בני אדם לחזירים קרבה דומה לזו הקיימת בין עכברים לחולדות, שבזכותה אפשר ליצור כימרות. ייתכן שתאי iPSC של האדם איבדו את היכולת לזהות את כל האותות הביוכימיים שמקורם במינים ביולוגיים מרוחקים מהם, כגון חזירים. אם לא נצליח למצוא פתרון ביוכימי לעקיפת הבעיה, ייתכן שנצטרך לבחון את הרעיונות שלנו במינים ביולוגיים אחרים, כגון פרות.

הצעדים הבאים

ב-2012 דנתי בסוגיות אלה ואחרות עם שותפי לעבודה, ג’וזף מריה קמפיסטול, מנכ”ל בית החולים האוניברסיטאי בברצלונה, המפורסם בעולם כולו כמרכז השתלות איברים. עצתו נחרטה בזיכרוני: “הדרך היחידה לדעת אם תאי iPSC של אדם יכולים לעבור מחסומים בין מינים ביולוגיים ולתרום ליצירת איבר של אדם בגוף חזיר, היא להפשיל שרוולים ולעשות את הניסוי,” אמר לי.

דבריו של קמפיסטול דרבנו אותי לפעולה. ידעתי שלא נוכל לבצע משימה כזאת במעבדה שלנו בכוחות עצמנו. בפעולה משותפת עם אמבריולוגים, וטרינרים, ביולוגים החוקרים תאי גזע, ומומחים לביואתיקה, הקמנו קונסורציום בין־לאומי במטרה לבחון את הרעיונות שלנו. ב-2015 התחלנו להזריק תאי iPSC של אדם לעוברי חזירים. אני אסיר תודה במיוחד לאוניברסיטת סן אנטוניו הקתולית בעיר מורסיה שבספרד, ולקרן מוקסי על תמיכתם בעבודה המוקדמת הזאת, בזמן שאיש לא חשב שהגישה שלנו היא בת־ביצוע.

עד עתה, רוב הניסויים שלנו נערכו בקליפורניה ובספרד, בפיקוחם של מוסדות הרגולציה המקומיים והארציים. עד עתה אפשרנו לעוברים הכימריים חזיר־אדם להתפתח ברחמן של חזירות עד לגיל ארבעה שבועות של היריון – ובנקודת זמן זו אנו ממיתים את החיות (ההנחיות שגיבשנו בשיתוף עם הרשויות מחייבות אותנו להמית את הפונדקאיות והעוברים).

במבט כולל, התוצאות שהתקבלו מניסויים אלה, ומאחרים, סיפקו לנו ידע בסיסי בדבר התפתחותם של העוברים הכימריים. אנחנו מתחילים לבחון מה המספר הטוב ביותר של תאי iPSC של אדם שיש להחדיר כדי שהעובר יתפתח בהצלחה, ומה הוא הזמן המתאים ביותר להחדרתם. התחלנו גם לעקוב אחר המסלולים שבהם תאי האדם נודדים לחלקים שונים בעובר המתפתח.

שיקולים אתיים

בד בבד לעבודתנו המדעית, גם כשאנו שקועים במאמצים לשפר את ההליכים שלנו, אנו חייבים לעבוד עם הציבור ולהתמודד עם אתגרים אתיים, חברתיים ורגולטוריים שמעלה שדה המחקר החדש הזה. הקונסורציום שלנו עבד בשיתוף פעולה הדוק עם מומחים לאתיקה ועם רגולטורים בקליפורניה ובספרד במשך שנה וחצי, במטרה לגבש הנחיות לבקרה על המחקר שלנו.

אין צורך לומר שאנו מצייתים לכל הכללים המקובלים הנוגעים לרווחה של בעלי חיים, שאמורים לחול על כל מחקר בבעלי חיים, כללים המחייבים, בין השאר, להימנע מגרימת כאב מיותר ולספק לבעלי החיים מרחב מחיה ותנועה. עם זאת, יש כמה סוגיות ייחודיות לטכנולוגיה שלנו. כאמור, תאי גזע תמימים באמת יכולים להעמיד רקמות מכל סוג. אבל אנחנו חייבים לייחד תשומת לב מיוחדת לרקמות משלושה סוגים: עצבים, תאי זרע וביציות – שכן הפיכתן של רקמות אלה לאנושיות בתוך גופם של בעלי חיים עלולה להוליד יצורים שאיש לא ירצה ליצור.

דמיינו לעצמכם את הסיוט האתי שעלול להתממש אם, למשל, כמות מספקת של תאי עצב של אדם יאכלסו מוח של חזיר, כך שהוא יהיה מסוגל לחשיבה מסדר גבוה יותר. אנחנו יכולים למנוע מראש בעיה כזאת בכך שנסלק את המכלול הגנטי האחראי להתפתחות עצבית מכל תאי ה-iPSC של אדם לפני שנזריק אותם לעוברים. כך, גם אם תאי הגזע האנושיים יצליחו לנדוד לגומחה העוברית המובילה לגדילת מוח, הם לא יוכלו להמשיך להתפתח. תאי העצב היחידים שיוכלו לגדול ולהתפתח יהיו במאה אחוז אלה של חזיר.

תרחיש אחר שהחוקרים מנסים למנוע, מטעמים שיתבהרו מיד, הוא התרבות של כימרות בינן לבין עצמן. גם אם מדובר במשהו שסבירותו נמוכה, תמיד יש סיכוי שכמה מתאי הגזע האנושיים שאנו משתילים ינדדו לגומחה העוברית המכתיבה את בניית מערכת הרבייה, במקום להישאר בגומחה שמניבה את האיבר המבוקש (כליה או לבלב). התוצאה עשויה להיות בעלי חיים שמייצרים תאי זרע או ביציות זהים בכל לאלה של אדם. במקרה שיתאפשר לחיות אלה להתרבות, הדבר יוביל לאסון אתי שבו עובר אנושי לגמרי (תוצאה של תא זרע אנושי מחזיר זכר שיפרה ביצית אנושית של נקבת חזיר) יתחיל לגדול ברחם של נקבת חזיר. הדרך הטובה ביותר למנוע אפשרות כזאת באופן מוחלט, היא לוודא שכל חיה כימרית המשמשת להשתלה מתחילה את חייה מ”אפס”, במובן זה שהיא תולדה של הפריה בין תאי רבייה של חזירים בלבד, ותאי הגזע של האדם מוחדרים לגופה רק לאחר ההפריה.

דבר מזה לא יקרה, כמובן, אם יתברר שאין דרך לגבור על האתגרים הטכניים. עם זאת, גם אם ניכשל בניסיון ליצור איברים מתפקדים לצורכי השתלה, אני סבור שהידע שאנו מגלים והשיטות שאנחנו מפתחים במהלך העבודה יהיו בעלי ערך עצום. אחד התחומים שצפוי לצאת נשכר הוא חקר הסרטן. מחקרים מראים שגידולים רבים גדלים באופן בלתי מרוסן בגופם של ילדים או בוגרים עקב הפעלה מחדש של כמה גנים (אם כי לא כולם) שבעבר היו מעורבים בהתפתחות העובר. כך, ככל שהחוקרים ייטיבו להבין את האותות התקינים ששולחים תאים בעובר, המאפשרים לעוברים לגדול ומורים להם מתי להפסיק לגדול, כן ניטיב לעודד תאים סרטניים להפסיק את מהלך התרבותם.

מדענים הם גם בני אדם, כמובן. אנחנו מתלהבים מרעיונות חדשים ומדרכים חדשות לעשות דברים. ואנחנו עשויים להיסחף באופטימיות שלנו לגבי מה שצפוי לנבוע מן התגליות שלנו – לא רק בתחומי המחקר שלנו אלא גם במה שנוגע לאנושות כולה. ועם זאת, התוצאות הראשוניות שתיארתי במאמר הזה גורמות לי לחוש אופטימיות זהירה לגבי האפשרות ליצור איברים של אדם בעוברים כימריים של בעלי חיים במהלך עשרים השנים הבאות.