ביו-שבב ננוטכנולוגי לאיתור רמות מזעריות של סמני מחלה

בעזרת התקן ביו-חישה אלקטרוכימי חדשני המזהה את הסימנים המזעריים ביותר של ביו-סמנים של מחלות, למשל, סרטן, הממציאים מקווים לאתר כמויות מזעריות של סימנים ראשונים למחלה הנמצאים במחזור הדם

[תרגום מאת ד"ר משה נחמני]

הקושי לאתר כמויות מזעריות של סימנים למחלה הנמצאים במחזור הדם הוכח כמכשול רציני בתחום הזיהוי והטיפול במחלת הסרטן כאשר הגידול מתקדם לו בגניבה ומפגין תסמינים מעטים. בעזרת התקן ביו-חישה אלקטרוכימי חדשני המזהה את הסימנים המזעריים ביותר של ביו-סמנים של מחלות, למשל, סרטן, הממציאים מקווים לאתר כמויות מזעריות של סימנים ראשונים למחלה. הישגיהם של החוקרים בתחום של זיהוי מחלות מהווים הדגמה לעוצמתה של חישה חשמלית – ואת חשיבותם ההולכת וגואה של מהנדסים – במחקר רפואי.

"באופן אידיאלי, תתאפשר בדיקה פשוטה וזולה – שאותה ניתן יהיה לבצע באופן שגור במהלך ביקוריו של מטופל גם בהיעדר תסמינים – על מנת לסרוק ולזהות חלק מסוגי הסרטן הקטלניים והשקטים יותר", אמר החוקר הראשי. ההתקן של החוקרים כולל תעלה מיקרו-זרימתית דרכה כמויות קטנות של דם זורמות דרך מצע חישה המצופה בחומרים ביולוגיים הנקשרים לביו-סמנים מוגדרים של מחלות, ביו-סמנים הנמצאים בנוזלי הגוף כגון דם, דמעות ושתן – קישור היוזם סגירה של ננו-מעגל חשמלי הפולט אותות מוגדרים.

במסגרת מחקר שפורסם זה מכבר בכתב העת המדעי Nano Covergence, החוקרים הדגימו את השימוש בננו-חלקיקי זהב על מנת להגביר את התגובה של אות החיישן שבהתקן שלהם לשם זיהוי סרטן, כחלק משאר הממצאים. אחד מיתרונות הליבה של ההתקן הזה הוא יכולתו להפריד את נוזל הדם (פלסמה) מהדם המלא בתוך התעלות המיקרו-נוזליות שבו. פלסמת הדם אוצרת בתוכה את הביו-סמנים למחלות ולפיכך נדרש להפרידה על מנת להגביר את "היחס אות לרעש" בכדי להשיג בדיקה עם דיוק רב. ההתקן מאפשר ניתוח של דגימת דם בתוך שתי דקות ללא כל צורך בציוד חיצוני. "הגישה שלנו מאפשרת לזהות ביו-סמנים מוגדרים ברמות ריכוז של פמטו, שהיא רמה נמוכה מרמת ננו ואפילו פיקו. טכנולוגיות חישה קיימות מוגבלות לקנה מידה הגדול פי אלף מזה החדש. השימוש במערכת ננומטרית זו מאפשר לנו לזהות רמות נמוכות של סמני מחלות", מסביר החוקר, "ועל ידי הפרדת הפלסמה מהדם אנו יכולים למקד את ביו-הסמנים של המחלות". במאמר עדכני נוסף של אותו צוות חוקרים, שפורסם בכתב העת המדעי BioNanoScience, החוקרים פירטו את הממצאים שלהם אודות הבדלים ברמות הרגישות על סמך זרימה מיקרו-זרימתית. החוקר משתתף כעת במחקרים דומים בתחום של "שבב-על-איבר" תוך ייצור של אורגנואידים (איברים מלאכותיים המורכבים מתאי תרבית המקובעים בתוך הידרוג'לים מבניים) ביו-מודפסים בתלת מימד – לשם ביצוע ניסויים רפואיים.

"כעת, אומר החוקר הראשי, אני האחראי הראשי לפיתוח של ההתקנים המיקרו-זרימתיים שיאפשרו אוטומטיזציה של תהליך ההדפסה התלת-מימדית של האיברים שישולבו בתוך שבב שנועד למספר יישומים. כרגע, למשל, אני עסוק בפיתוח של מערכת אוטומטית לשם ניתוח היעילות והרעילות של תרופות על מנת לזהות ביו-סמנים של סרטן הכבד ומחלות לבביות. מטרתי היא לשלב את הביו-חיישן המיקרו-זרימתי בתוך מודל של סרטן הכבד ומחלות לבביות על גבי "לב-על-שבב" לשם המשך הניטור", מסביר החוקר. על ידי מדידת הריכוזים של הביו-סמנים המופרשים מאיברים תלת-מימדים שלתוכם הוזרקו תרופות, נוכל לבחון את ההשפעות שלהן על איברים שונים, וזאת מבלי להזיק למטופל החי. הייצור של איברים מלאכותיים מאפשר לנו לבצע ניסויים ללא מגבלות". בשלב הבא, אומרים החוקרים, המערכת תוכל להיות מיושמת בתחום של רפואה מתחדשת. "המטרה שלנו היא לפתח אורגנואידים ורקמות בעלות חשיבות קלינית, מתפקדים לחלוטין, שנוצרו בעזרת ביו-הדפסה תלת-מימדית, וזאת על מנת לפתור את הבעיה של מחסור באיברים להשתלה".

במתכונתו הנוכחית, ההתקן יוכל לספק הן תוצאות כמותיות והן איכותניות באשר לאנטיגנים של סרטן הנמצאים בדגימות דם, תוך מתן מידע בנוגע להימצאות ומידת החומרה של הגידול הסרטני. השלב הבא שלהם, אומרים החוקרים, הוא להרחיב את המערכת שלהם כך שתוכל לזהות מספר מחלות תוך שימוש בדגימת דם יחידה.

"כפי שכולנו יודעים, אבחון מוקדם עשוי לשפר באופן משמעותי את תוצאות הטיפול בחולים", מוסיף החוקר. "כיום, הרופאים מסתמכים על התקני אבחון המחייבים המתנה של לפחות ארבע שעות לשם הכנת הדגימה ובדיקתה במסגרת מרכזי אבחון מרכזיים ולא אזוריים. ההתקן שלנו יוכל לשפר משמעותית את המצב הזה".