חומרי חבישה חדשים לא רק יכסו פצעים, אלא גם יפנו את תשומת לב הרופאים לבעיות וישגרו תרופות
החיילים האמריקנים שנפצעו באפגניסטן טופלו היטב לאחר שחזרו מן המלחמה. המנתחים במרכז הרפואי הצבאי סן אנטוניו שבטקסס השתילו בזהירות רקמת עור בריאה על כוויות ופצעים ונעזרו במיקרו-כירורגיה כדי לחבר את כלי הדם שלהם לעור החדש. ועם כל זאת נשארה אי-ודאות לגבי החלמתם. כלי הדם המחוברים אינם מספקים תמיד די חמצן להצלחת ההשתלה.
כשקונור אוונס ביקר בסן אנטוניו ב-2010 וראה את החיילים, הוא הבין שהשיטות הרגילות לניטור רמות החמצן אינן פועלות כראוי ולעתים קרובות אינן מתריעות כשההשתלה נכשלת. “הרופאים עשו דברים מדהימים,” אומר אוונס, כימאי בבית הספר לרפואה של הרווארד ובמרכז וֶלמן לפוטו-רפואה בבית החולים הכללי במסצ’וסטס, “אבל החיישנים שבידיהם לא היו טובים דיים.”
אז אוונס ייצר תחבושת טובה יותר. הוא ועמיתיו החלו עם חומרי צבע שמגיבים על רמות שונות של חמצן, הוסיפו חלקיקי-ננו לוויסות פעילות הצבעים והשתמשו בהם ליצירת תחבושת נוזלית המורה על מצבו של הפצע שהיא מכסה. “התחבושת מחליפה צבעים, ממש כמו רמזור, מירוק, צהוב וכתום עד אדום,” על פי כמות החמצן, אומר אוונס. אחרי הצלחת הניסויים בחיות מעבדה ב-2014 מתחילים השנה ניסויים קליניים בבני אדם.
היכולות החדשות לשלוט בחלקיקי חומר שגודלם כמה מיליארדיות המטר מאפשרות למדענים כמו אוונס לא רק לייעל את היכולת להעריך במהירות את מצב הבריאות, אלא גם להפוך את התחבושות למערכות מדויקות למתן תרופות. “לננוטכנולוגיה תפקיד חשוב ביכולת לשלוט בכמות התרופות המשוחררות ולדעת איזו כמות מן המינון המתוכנן אכן הגיעה לאזורי הפציעה שהן אמורות להגיע אליהם,” אומרת פאולה המונד, כימאית במכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT). דיוק זה עדיף במידה ניכרת מהצפת חלקי גוף בריאים בתרופות שרק מקצתן מגיע אל המטרה.
זעקה לאוויר
יותר משישה מיליון בני אדם בארה”ב סובלים מדי שנה בשנה מהחלמה גרועה של פצעים הנובעת ממחסור בחמצן, וההוצאות הרפואיות הכרוכות בכך מוערכות ב-25 מיליארד דולר. בדרך כלל רופאים נועצים אלקטרודות מחטיות ברקמה הפצועה כדי למדוד בה את רמת החמצון. אבל הדקירות מכאיבות והמדידה מספקת מידע על נקודה אחת בלבד בפצע הגדול. התחבושת של אוונס, לעומת זאת, יכולה לספק מיד מפה של רמות החמצן בכל הפצע.
השיטה מתבססת על שני חומרים צבעוניים המעורבבים יחד בתחבושת נוזלית הנמרחת על הפצע ומתייבשת במהירות. הבזק קצר של אור כחול מעורר את שני החומרים וגורם להם לזהור: האחד באדום בהיר והאחר בירוק. מולקולות חמצן מכבות את הזוהר הפוספורסנטי האדום, ולכן כשהפצע שטוף חמצן ובריא התחבושת תזהר בירוק. אבל אם באזורים מסוימים בפצע יש מחסור בחמצן, יופיעו בה טלאים של צהוב, כתום ולבסוף אזעקת צבע אדום.
המפתח להתרעה הוא תוספת בקנה מידה ננומטרי למולקולות הצבע האדום. אוונס חיבר לכל אחת ממולקולות הצבע מולקולה הקרויה דֶנדְרימֶר, שהיא בעלת מבנה מסועף דמוי עץ המגיע לקוטר של שני ננומטרים. הסבך המולקולרי מרחיק מולקולות צבע שכנות זו מזו ומשכך את האור שהן פולטות. הסבך הזה גם חוסם באופן חלקי את הגישה הפיזית של מולקולות החמצן ומצמצם את ריכוזן. בריכוזים קטנים כל שינוי נראה ברור יותר.
בעת האשפוז בבית החולים יצלמו האחיות תחבושת שתיצבע באדום מתריע, והרופאים ינסו לשפר את זרימת הדם והחמצן בנקודות הבעייתיות. בעיקרון התחבושת יכולה לפעול גם בבית. חולים יוכלו לצלם את התחבושת ולשלוח את התצלומים לרופא להערכה, אומר אוונס.
הצוות של אוונס כבר ייצר צבעים חלופיים יעילים יותר בהמרה של אור כחול באדום זוהר. “התחבושת החדשה שלנו כה זוהרת, שאפשר לראות אותה גם עם פחות צבע אפילו באור יום,” אומר אוונס. בעתיד התחבושת תתוכנן אפילו לפזר תרופות בתוך הפצע, הוא מוסיף.
תרופה בתחבושת
חוקרים במעבדתה של המונד כבר הטעינו תחבושות בחומרים טיפוליים בשיטות ננו-הנדסיות. הם פיתחו ציפויים המפרישים באטיות מולקולות של רנ”א או של חלבונים, המסוגלות להשבית פעילויות תאיות שעלולות לשבש את תהליך ריפוי הפצע. לדוגמה, מולקולות מסוג מסוים של רנ”א, הקרוי “רנ”א קצר מפריע” (siRNA), יכולות לחסום גנים המקודדים חלבונים שעלולים לחולל בעיות.
הצוות במעבדה עטף את מולקולות הרנ”א האלה בעטיפות של סידן זרחתי שקוטרן כ-200 ננומטרים וכרך אותן בין שתי שכבות של פולימר טעון במטען חשמלי חיובי העשוי ממולקולות ביולוגיות, ואז מרח צד אחד של הכריך בחרסית בעלת מטען חשמלי שלילי. (המטענים המנוגדים הדביקו את שכבות הכריכים זו לזו.) צרור של 25 כריכים כאלה יוצר ציפוי בעובי של כחצי מיקרון. המונד הצמידה אותו לרטייה רגילה עשויה מניילון.
כשהאנזימים הטבעיים בגוף מפרקים את השכבות, המעטפת משחררת את מולקולות הרנ”א לתוך הפצע במשך שבוע. השחרור האטי והקבוע יכול להפחית את תופעות הלוואי הנגרמות מהזרקה יחידה של כמות גדולה של תרופה שגרתית. שיטת שחרור זו גם מבטיחה שהפצע מטופל בקביעות.
המונד השתמשה בציפוי השכבתי הזה גם כדי לספק חלבון תרופתי שעוזר להחלמה של פצעים בעכברים סוכרתיים. החלבון כבר זמין במשחה, אולם המונד אומרת שהיא אינה יעילה מפני שלאחר שחרור התחלתי מהיר של כמות גדולה של חלבון הוא נעלם בתוך 24 שעות. התחבושת של המונד, לעומת זאת, שומרת על קצב שחרור קבוע ויציב של החלבון במינון מיטבי במשך חמישה עד שבעה ימים.
גישת השכבות יכולה לשפר גם טיפולים במחלות אחרות, כמו מחלת העורקים הכליליים, הנגרמת מסתימת עורקים המזרימים דם דרך שריר הלב. הטיפול כולל בדרך כלל הרחבת העורק בעזרת ניפוח בלון והחדרת גליל מרושת של פלדת אל-חלד, הקרוי תומכן (סטנט), שמשאיר את העורק פתוח. יש תומכנים המכילים תרופות למניעת היצרות חוזרת של העורק, אבל שימוש בהם מחייב את החולים להשתמש בתרופות נוספות כדי להפחית את הסיכון לשחרור קרישי דם מאזור התומכן.
דייוויד לין, כימאי מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, מציע פתרון טוב יותר: לטפל בעורק באמצעות מנות של דנ”א שישתחררו מהֶתקנים בעלי ציפוי ננומטרי. בתוך הגוף, הדנ”א יכול לגרום לתאים לייצר חלבון שעוזר לייצב ולשקם את דופנות כלי הדם. כדי לשגר טיפולים גנטיים כאלה למקום הנכון בזמן הנכון, ציפה לין תומכנים בשכבות של דנ”א ושל פולימרים מתכלים לסירוגין, כל שכבה בעובי של כמה ננומטרים. שינוי מספר השכבות מאפשר לחוקרים לשלוט בכמות הדנ”א המשתחררת לדופנות כלי הדם. ניסויים בחזירים הראו שהדנ”א חודר בהדרגה לרקמה שמסביב לתומכן במשך כמה ימים לאחר השתלתו. מחקרים אחרים הראו שכוונון עדין של תכנון הציפוי יכול לשנות את קצב שחרור הדנ”א. “עכשיו יש לנו בקרה מתקבלת על הדעת, שמאפשרת לנו לתזמן את השחרור, משניות אחדות ועד כמה חודשים, באמצעות שינוי מבנה הפולימר או שינוי האופן שבו בונים את הציפוי,” אומר לין.
אפשר לאמץ את שיטות הננו-הנדסה העומדות בבסיס ההמצאות האלה לטווח רחב של יישומים אחרים. לין משתמש בציפוי פולימרי כדי להפריש פפטידים – מולקולות ביולוגיות המשבשות את השיח הכימי בין חיידקים. כשהחיידקים מנותקים זה מזה, הם אינם יכולים להתאגד וליצור קרום ביולוגי קשיח ועמיד בפני אנטיביוטיקה. אוונס, בתורו, משתמש בצבעים הזוהרים שלו בדגימות רִקמה של תאי סרטן דלי חמצן הנוטים להיות עמידים במיוחד בכימותרפיה, והוא מתכנן לבדוק את השיטה בבעלי חיים בהמשך השנה. גישת הצבע יכולה לשמש גם לגילוי זיהום חיידקי ברקמות פצועות או לאיתור סוגים אחרים של מולקולות. “באמת, השמים הם הגבול,” אומר אוונס.
- מרק פפלואו (Peplow) הוא עיתונאי מדע מקיימברידג’ שבאנגליה.
- בקיצור
תחבושות יכולות לשמש מערכת מדויקת לשחרור תרופות באמצעות חומרים בקנה מידה ננומטרי. - ננוטכנולוגיה מאפשרת לחוקרים לכרוך תרופות בין שכבות התחבושת ולשלוט בכמות המשתחררת.
- תחבושות יכולות לשמש גלאי למצבם של פצעים חמורים. הן גם יכולות לשחרר מולקולות שבולמות חלבונים בעייתיים.
- אפשר להציב התקנים קטנים בעורקי הלב ולשחרר דנ”א שיעורר ייצור חלבונים המסייעים לשיקום כלי דם פגועים.
שתלי מחשב – בעדינות על הלב / ג’ושוע א’ קירש
מעגלים חשמליים שאינם קורעים את הבשר עוטפים איברים חשובים ומנטרים את פעילותם
החומרה האלקטרונית אינה מתאימה ממש לתוכנה הביולוגית. מעגלים קשיחים אינם מתכופפים בקימורי האיברים הגמישים, וקצותיהם הקשים קורעים רקמה רכה. בעיה זו הגבילה מאוד את הניסיונות לשלב בקרה ממוחשבת כדי לעדן התקנים כמו צנתרים לניקוי עורקים. סיליקון אולי יכול לשאת את כל תעשיית המחשבים, אולם הוא שברירי להחריד.
אבל אפשר לכופף אפילו חומרים עקשנים ביותר אם עושים אותם דקים דיים, אומר ג’ון רוג’רס, מדען חומרים באוניברסיטה של אילינוי באורבנה-שמפיין. הוא בונה יריעות אלקטרוניות נמתחות בעובי של עשרה ננומטרים להתקנים שאפשר למקם בתוך איברים כמו הלב או סביבם ולהפעיל כנדרש בלי לגרום נזק. רוג’רס קורא להם בשם “אלקטרוניקה רכה”.
במעגלים שרוג’רס בונה הוא חייב להשתמש במוליכים מדויקים, כמו סיליקון וגַליום חנקני, משום שעליהם להעביר אותות מחשב ללא שיבושים. כדי לעקוף את נטייתו של סיליקון להישבר בכיפוף, הוא השתמש בננוטכנולוגיה להכנת שכבות דקיקות ככל האפשר של החומר שעדיין ישמרו על מוליכות חשמלית. בעובי של כמעט עשרה ננומטרים, סיליקון מתנהג יותר כמו גומייה אלסטית ופחות כמו זכוכית.
בניסוי בבעלי חיים הצליח רוג’רס להפעיל קרום גמיש המשלב התקנים אלקטרוניים שיכול לעטוף לב פועם ולעקוב אחרי הפרעות קצב. אם הניסויים ימשיכו להצליח, הוא מדמיין הוספת חיישנים להתקנים מרחיבי עורקים, כמו צנתרי בלון, שיאתרו היצרויות בכלי הדם. “כלים כירורגיים מתוחכמים יוכלו להחליף התקנים מכניים ‘טיפשים’,” אומר רוג’רס.
עוד בנושא
Polyelectrolyte Multilayers Promote Stent-Mediated Delivery of DNA to Vascular Tissue. Eric M. Saurer et al. in Biomacromolecules, Vol. 14, No. 5, pages 1696-1704, May 13, 2013.
Nanolayered siRNA Dressing for Sustained Localized Knockdown. Steven Castleberry in ACS Nano, Vol.7, No. 6, pages 5251-5261, June 25, 2013.
Surface Coating That Promote Rapid Release of Peptide-Based AgrC Inhibitors for Attenuation of Quorum Sensing in Staphylococcus aureus. Adam H. Broderick et al. in Advanced Healthcare Materials, Vol. 3, No. 1, pages 97-105, January 2014.
Click-Assembled, Oxygen-Sensing Nanoconjugates for Depth-Resolved, Near-Infrared Imagine in a 3D Cancer Model. Alexander J. Nichols in Angewandte Chemie International Edition, Vol.53, No. 14, pages 3671-3674, april1, 2014.
Non-Invasive Transdermal Two-Dimensional Mapping Cutaneous Oxygenation with a Rapid-Drying Liquid Bandage. Zongxi Li in Biomedical Optics Express. Vol. 5, No. 11, pages 3748-3764` November 1, 2014.
