עושים גלים

פרופ' אהרן גֶדַנקֶן וצוותו מנסים לנצל שיטה פיזיקלית, המיושמת על תמיסות כימיות, על מנת לפתור בעיות בשדה הרפואה

מאת: יונת אשחר

הרצון ליצור שיטות חדשות, מקוריות וטובות יותר, לפתרון בעיות ישנות, מחייב לעתים את המדענים לצאת מן התחום הצר של עיסוקם ולשלב בעבודתם אלמנטים מכמה שדות מדעיים. מחקריו של פרופ' אהרן גֶדַנקֶן מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר-אילן הם דוגמה טובה לכך: גדנקן וצוותו מנסים לנצל שיטה פיזיקלית המיושמת על תמיסות כימיות על מנת לפתור בעיות בשדה הרפואה.

השיטה הפיזיקלית היא אולטרה-סוֹניקציה – שימוש בגלי קול בתדר גבוה מאוד. חשיפה של תמיסה נוזלית לגלי קול אלו גורמת לערבול מהיר של הנוזל ולהיווצרות המוני בועיות מיקרוסקופיות, הקורסות לתוך עצמן כמעט מיד. קריסתה של כל בועית מייצרת חום ולחץ גבוהים מאוד, בנקודה קטנה מאוד – רק מסביב לבועית זו. מסתבר שאת התופעה הזאת אפשר לנצל בצורות שונות, ומאמר זה יסקור שתיים מהן – יצירה של קופסיות חלבון מיקרוסקופיות היכולות להכיל בתוכן תרופות שונות, וציפוי של בדים בחלקיקי מתכת בעלי פעילות אנטי-חיידקית.
תרופה ארוזה ומוכנה למשלוח

את טכניקת הסוניקציה אפשר לנצל כדי לגרום למולקולות חלבון הנמצאות בתמיסה “לשתף פעולה” וליצור מבנה מאורגן של קופסיות חלבוניות. השיטה היא פשוטה ומהירה מאוד: מערכת נוזלית המורכבת משתי שכבות – שכבה מימית המכילה חלבון ושכבה של נוזל אורגני מעליה – עוברת סוניקציה במשך 3 דקות.

הסוניקציה מערבבת את שתי השכבות ויוצרת בועיות של נוזל אורגני בתוך הנוזל המימי. כמיליון מולקולות חלבון מתקבצות מסביב לכל בועית, וכשהבועית קורסת, התהליכים התרמודינמיים המתרחשים באזור גורמים להן ליצור קשרים כימיים יציבים זו עם זו.

כך נוצרת קופסית חלבונית, כדורית וסגורה מכל צדדיה, המכילה נוזל אורגני. מתקבל טווח מסוים של גודלי קופסיות, אך בממוצע קוטר הקופסית הוא כ-2,500 ננומטר, לאמור 2.5 אלפיות המילימטר. אפשר ליצור את הקופסיות הללו מחלבונים שונים, ואפילו מאנזימים – חלבונים המזרזים פעולות בתא. קופסיות אנזימטיות כאלו עשויות להיות שימושיות כשיטה להנעה של כמות גדולה מאוד של אנזימים כגוף אחד.

גדנקן וצוותו הראו כי תהליך יצירת הקופסית אינו הורס את האנזימים המרכיבים אותה, והם שומרים עדיין על פעילותם, אף שרמת הפעילות יורדת בכ-50%.

סיגלית אביבי וחוקרים אחרים ממעבדתו של גדנקן בדקו אם אפשר לארוז בתוך קופסיות אלו חומרים שונים, כגון תרופות. קופסיות המחזיקות בתוכן תרופות יכולות להיות שימושיות מאוד כאשר התרופה מיועדת לאזור מסוים בגוף, ועלולה להזיק לאזורים אחרים – כמו למשל בטיפול כמותרפי בסרטן, שבו התרופות שנועדו להרוג את תאי הגידול פוגעות בתאים רבים אחרים וגורמות לעתים קרובות לתופעות לוואי קשות. אם יהיה אפשר לארוז את התרופות בתוך קופסיות, ולדאוג לכך שיישלחו ישירות אל הגידול וישחררו שם את מטענן, ניתן יהיה להפחית את הסבל הכרוך בטיפול.

כדי לבדוק את האפשרות לעשות זאת, הוסיפו החוקרים תרופה – אנטיביוטיקה בשם טטרציקלין (Tetracyclin) – לתמיסה המכילה את החלבון בתהליך יצירת הקופסיות. החלבון שבו השתמשו הוא חלבון הנמצא בדמן של פרות, ונקרא BSA – זהו חלבון נפוץ מאוד, המתפרק בגוף האדם בתוך שעות אחדות ואינו רעיל. ניתן ליצור קופסיות חלבוניות גם מחלבונים דומים שמקורם באדם, דבר שעשוי להקל על השימוש בהן כנשאיות תרופה בתוך גוף האדם.

החוקרים בדקו היכן התרופה נמצאת לאחר הסוניקציה. הסתבר שחלק גדול מהתרופה אינו נמצא עוד בתמיסה המימית, אלא היא מסופחת בצורה כלשהי אל הקופסיות החלבוניות. הניסוי נעשה בריכוזים שונים של התרופה, ונמצא כי בריכוז האופטימלי, עד 65% ממנה “נעלם” מהתמיסה המימית. השאלה הבאה היתה, כמובן, היכן בדיוק נמצאת האנטיביוטיקה – האם היא אכן ארוזה בתוך הקופסית, או צמודה בדרך כלשהי אל פני השטח שלה.

הקופסיות נשטפו במים חמים או בחומרים כימיים הממסים את האנטיביוטיקה, על מנת להוריד כל חומר הנמצא מחוץ לקופסית. הסתבר כי לא יותר מ-4% מהאנטיביוטיקה נמצא על פני השטח, ורוב-רובה אכן ארוז בתוך הקופסית. בבדיקת יעילות נמצא כי התהליך כולו לא פגע ביכולת הטטרציקלין להרוג חיידקים.


פעילות אנזימים המיוצרים בתא

לאחר שהאפשרות לארוז תרופה בקופסית הוּכחה, עברו החוקרים לתרופות אחרות – טקסול (Taxol) וגֶמזאר (Gemzar), תרופות נגד סוגים שונים של סרטן. שתי התרופות נארזו בקופסיות בהצלחה.

במחקר שפרסמו אולגה גרינברג וחוקרים אחרים ממעבדתו של גדנקן, נמצא כי בריכוז המתאים, כ-90% מהטקסול שהוכנס לתמיסה נארז בקופסיות. הקופסיות הטעונות בטקסול הובאו במגע עם תרבית של תאים סרטניים, והתברר כי לאחר 24 שעות הקופסיות התפרקו ושחררו את מטענן, ככל הנראה בעקבות פעילות של אנזימים המיוצרים בתאים. הטקסול ששוחרר שמר על פעילותו והיה יעיל בבלימת החלוקה של התאים הסרטניים.

כאמור, אחד היתרונות העיקריים של תרופות הארוזות בקופסיות הוא האפשרות התיאורטית לכוון את הקופסית אל תאים מסוימים בגוף. אך כיצד אפשר “לכתוב את המען” על הקופסית, ומיהו הדוור שידאג שהחבילה תגיע ליעדה? גדנקן וצוותו מנסים לפתור את הבעיה הזאת על-ידי הוספת עוד מרכיב לתמיסה, מלבד החלבונים עצמם והתרופה: חלקיקי זהב.

במחקרים ראשוניים נמצא כי חלק מחלקיקי הזהב מתמקמים על פני השטח של הקופסית. לחלקיקים אלו ניתן לקשור נוגדנים – חלבונים של מערכת החיסון, המסוגלים לזהות ולהיקשר לחלבון מסוים באופן ספציפי מאוד.

ניתן ליצור נוגדנים המזהים חלבונים האופייניים לתאי סרטן, ואינם מופיעים ברוב התאים הבריאים בגוף. אנו עדיין רחוקים משימוש מעשי, אך החוקרים מקווים שנוגדנים אלו יוכלו לשמש כ”דוורים”: הם ייקשרו באופן ספציפי לתאים סרטניים, ויביאו איתם את הקופסית, שאליה הם קשורים מצדם האחר. לאחר כמה שעות, התרופה הארוזה בקופסית תשתחרר ישירות במקום המיועד, וכך תפעל כמעט רק על תאי הסרטן.
בדים אנטי-חיידקיים

בעיה רפואית נוספת שגדנקן וקבוצתו מנסים למצוא לה פתרון בעזרת שיטת הסוניקציה היא בעיה המוכרת לכולנו – זיהומים חיידקיים. הבעיה חמורה במיוחד בבתי-חולים, שבהם מתפתחים בשנים האחרונות זנים רבים של חיידקים העמידים לרוב סוגי האנטיביוטיקה.

עמידות מוגברת זו של החיידקים גרמה לחוקרים רבים למקד את תשומת לבם בתרופה אנטי-חיידקית ותיקה – יוני כסף. תמיסות כסף שימשו לחיטוי במשך שנים רבות, ומחקרים רבים הוכיחו את יעילותן בהריגת מאות סוגים של חיידקים, אם כי המנגנון המדויק של פעילותן עדיין אינו ברור.

סוניקציה של כסף חנקתי, חומר מסיס המכיל יוני כסף ויוני חנקה, יוצרת ננו-חלקיקים של כסף, שגם להם פעילות אנטי-חיידקית מוכחת. אילנה פרלשטיין וחוקרים נוספים בדקו אפשרות להשתמש בסוניקציה לא רק על מנת ליצור את חלקיקי הכסף, אלא גם כדי ליצור בדים המכילים חלקיקים אלו. בד המכיל חלקיקי כסף יוכל לשמש, למשל, ליצירת תחבושת אנטי-חיידקית, ההורגת את החיידקים בפצע, או סדין בית-חולים שיהרוג חיידקים מסוכנים הנמצאים במיטת החולה.

בניסוי הראשון השתמשו החוקרים בחומר המוצא של הבד. לאמבט הסוניקציה הוכנסו, יחד עם הכסף החנקתי, פתיתי ניילון שמהם מייצרים חוטי ניילון. כאמור, קריסת הבועיות הנוצרות בזמן הסוניקציה גורמת לחום וללחץ גבוהים באזור קטן.

תהליכים אלו גורמים לזרמים קטנים אך מהירים מאוד בתוך הנוזל, שבהם נסחפים חלקיקי הכסף – כך שפתיתי הניילון “הופגזו” בחלקיקים הנעים במהירות רבה. כך הוחדרו החלקיקים לתוך פתיתי הניילון, והם נשארו שם גם לאחר התכה של הפתיתים ליצירת חוטי ניילון. חוטי הניילון שימשו לאריגת גרב ניילון, שנבדקה והראתה פעילות אנטי-חיידקית.

לאחר מכן ניסו החוקרים ליישם אותה שיטה על הבדים עצמם. הניסוי בוצע בשלושה בדים – ניילון, פוליאסטר וכותנה. שלושת הבדים הוכנסו לאמבט הסוניקציה עם הכסף החנקתי, וחלקיקי הכסף שנוצרו ציפו אותם. התברר כי למרות השוני הגדול בהרכב הכימי, כל שלושת הבדים צופו בחלקיקי הכסף ברמה כמעט זהה. מכך הסיקו החוקרים כי תהליך הציפוי אינו כולל יצירת קשרים כימיים בין חלקיקי הכסף לבין הבד, אלא הוא תהליך פיזיקלי של ספיחת החלקיקים אל פני השטח של הבד. הזרמים החזקים הנוצרים בעקבות הסוניקציה הם הגורמים לתהליך זה להיות יעיל במיוחד.

לבד הכותנה מצופה הכסף נערכו מבחנים על מנת לבדוק את יעילותו בהריגת חיידקים – פיסת הבד הושרתה בתמיסה המכילה חיידקים בריכוז גבוה, ונמצא כי לאחר שעה וחצי, חלקיקי הכסף שבבד חיסלו לחלוטין את החיידקים. בניסוי השתמשו החוקרים בשני זנים של חיידקים, המייצגים את שני הסוגים העיקריים של חיידקים גורמי מחלות – גראם שליליים וגראם חיוביים – ובשני המקרים הבד הראה יעילות רבה.


את טכניקת הסוניקציה אפשר לנצל כדי לגרום למולקולות חלבון הנמצאות בתמיסה “לשתף פעולה” וליצור מבנה מאורגן של קופסיות חלבוניות
אבץ חמצני בטוח יותר מכסף

נוסף על כך, שיטת הסוניקציה גרמה לחלקיקי הכסף להיצמד בצורה חזקה ביותר אל הבד – גם לאחר כביסות רבות הבד עדיין היה מצופה בחלקיקים, והראה פעילות אנטי-חיידקית.
באותה שיטה ניתן להשתמש לציפוי בדים בחלקיקי מתכת אחרים – כרגע עובדים החוקרים על פיתוח בדים המצופים באבץ חמצני, הידוע גם הוא כאנטי-חיידקי, ונמצא בשימוש נרחב כחומר מחטא. אבץ חמצני נחשב לבטוח יותר לשימוש מאשר כסף, ששימוש מסיבי בו עלול לגרום לתופעות לוואי.

סוניקציה אינה השיטה היחידה לציפוי בדים בחלקיקי מתכת, אך מכיוון שהיא פשוטה מאוד וכוללת רק שלב אחד – סוניקציה של המתכת יחד עם הבד – החוקרים מקווים שבעתיד הלא-רחוק יהיה אפשר ליישמה ולייצר בדים אנטי-חיידקיים לשימוש בתי-החולים, ולאחר מכן – אולי אפילו לשימוש ביתי.

זאת ועוד, אין זה השימוש היחיד של שיטה זו: באמצעות סוניקציה אפשר לצפות בחלקיקי מתכת לא רק בדים, אלא גם זכוכית ומשטחי קרמיקה. אולי יהיה זה אפשרי, אם כן, ליצור משטחים נקיים מחיידקים.

שתי השיטות האלו הן דוגמה לכך שכאשר הפיזיקה, הכימיה והביולוגיה נפגשות, אפשר לעתים להסתכל על בעיות ישנות במבט חדש, ואולי להגיע לפתרונות טובים יותר. הכוחות המיוחדים הנוצרים בעקבות אולטרה-סוניקציה גורמים לתגובות שונות וייחודיות כאשר הם מופעלים על חלבונים ועל מתכות, ומהווים דרך פשוטה מאוד ליצירת מבנים מסובכים – יהיו אלו קופסיות חלבון המכילות תרופה או בדים המצופים בחומרים אנטי-חיידקיים.

מחקרים בסיסיים כמו אלו הנעשים במעבדתו של גדנקן עשויים להוביל בסופו של דבר לפיתוחן של טכנולוגיות רפואיות ומסחריות, שישפרו בעתיד את איכות החיים של כולנו.

יונת אשחר היא תלמידת מוסמך במחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן