מחקרים

בדצמבר 2019 התקבלה במייל של פרופ' אהוד גזית, ראש מרכז בלווטניק לפיתוח תרופות באוניברסיטת תל אביב, פנייה נרגשת מניו-יורק. סקוט רייך, שבנו, איליי (שהיה אז בן תשעה חודשים), אובחן כלוקה בתסמונת גנטית קשה ונדירה ביותר בשם FOXG1 (דמויית תסמונת רט), שפוגעת באופן חמור בהתפתחות המוח. הוא חיפש בכל העולם מומחים שיוכלו לפתח תרופה למחלה הנדירה, ולאחר המלצות של אנשי בריאות ומדע מובילים, הגיע למרכז בלווטניק באוניברסיטת תל אביב שבישראל. בכל העולם חיים היום רק כ-700 חולים מאובחנים בתסמונת זו, רובם ככולם ילדים עם נכויות קשות, ובשל נדירותה היא כמעט ולא נחקרה עד עתה, ואין לה כל טיפול.

מרכז בלווטניק מתמחה בתחום הקרוי drug repurposing: ניתוב מחדש של תרופות מאושרות וחומרים בטוחים לשימוש על מנת לסייע לאנשים עם מחלות נדירות, שאינם מקבלים מענה מחברות התרופות הגדולות. ד"ר אדי פיצ'נוק, ראש היחידה לסריקות ביולוגיות בתפוקה גבוהה במרכז, שהוביל באותה עת מספר מחקרים עבור משפחות נוספות, נענה מיד לאתגר החדש. כך החל המרוץ להצלת הפעוט איליי רייך.

ד"ר פיצ'נוק וקבוצתו קיבלו לידיהם דגימה מהתאים של איליי, שהופקדו בבנק הביולוגי ע"ש קוריאל לדגימות ביולוגיות של חולים במחלות נדירות, ובנו מערכת סריקה מותאמת אישית כדי לבחון את תגובת התאים למגוון חומרים בטוחים ומאושרי FDA. המטרה: למצוא תרופה (שפותחה במקורה לצורך אחר), אשר תגדיל את כמות החלבון FOXG1 במוחו של איליי, ותפצה על החסר שנגרם על ידי המוטציה.

החוקרים ידעו שזוהי אולי התקווה האחרונה של איליי לחיים רגילים: אם וכאשר תימצא עבורו תרופה יעילה ובטוחה, הוא יוכל לקבל אותה כטיפול חמלה. "מערכת הסריקה שלנו מבוססת על חלבון זורח, או חלבון מדווח, המבוטא בגחליליות, שמחליף את החלבון הפגום בתאים של איליי," מסביר ד"ר פיצ'נוק. "אנחנו סורקים ספרייה של כ-7,000 חומרים מאושרי FDA, שפותחו עבור מגוון מחלות כמו סרטן, הפרעות פסיכיאטריות ותסמונות דלקתיות שונות, ובוחנים את תגובת החלבון המדווח לכל אחד מהם. אנחנו עדיין בעיצומו של התהליך, אבל לשמחתנו, נראה שיש אור בקצה המנהרה. לאחרונה הצלחנו לגלות מספר תרופות שככל הנראה יוכלו לסייע להצלתו של איליי, ואנחנו כמובן ממשיכים לחפש תרופות נוספות".

לדבריו של ד"ר פיצ'נוק, בשלב הבא החוקרים יסתייעו בשיטות מתקדמות של הנדסה גנטית כדי להפוך את דגימות העור של איליי והוריו לתאי גזע, ובהמשך לנוירונים. בסופו של התהליך תיבחן השפעת התרופות הנבחרות על הנוירונים של איליי, בתקווה שאכן יקרה הנס, והמוח יחזור לקצב התפתחות תקין. החוקרים אופטימיים".

יצירתיות וחשיבה מחוץ לקופסה

"כששמענו את תוצאות האבחון הקשה של איליי, אמרתי מיד לאשתי ליסה: 'אנחנו חייבים לפנות לישראל. שם נמצא את הידע, הניסיון והחשיבה מחוץ לקופסה שכל כך נחוצים לנו.' פנינו לקהילה היהודית בארה"ב ולחברים בישראל, ובאמצעותם הגענו למרכז בלווטניק," מספר האב סקוט רייך. "מהיום הראשון הרגשנו שהגענו למקום הנכון. הצוות מאוד יצירתי, פועל במהירות ובמסירות עצומה כדי למצוא תרופה לבננו, ולא רק כדי לפרסם עוד מאמר מדעי בכתב עת יוקרתי. עבורנו, במצב המאתגר שאליו נקלענו, יש ליחס הזה ערך עצום. בכל יום אני מתפלל להחלמת בני, אבל בתוך ליבי אני יודע שהצוות של בלווטניק עושה כל שביכולתו כדי שאיליי ימשיך לחיות."

ד"ר אבי רווה, המנהל המדעי של מרכז בלווטניק לפיתוח תרופות, מסביר כי המרכז מציג גישה מחקרית ייחודית ליישום התפיסה של רפואה מותאמת אישית על מחלות נדירות. "אנחנו נותנים מענה למשפחות מכל רחבי העולם, רגע לפני שהן מאבדות תקווה. בניגוד למוסדות מחקר גדולים, אנחנו פועלים כמו חברת סטארטאפ קטנה, זריזה ודינמית, שמדלגת על רוב הביורוקרטיה, ומגיעה מיד אל לב המשימה. במקרה של איליי רייך, כשחלון הזמן להתפתחות מוחית הולך ונסגר, הגמישות שלנו היא קריטית ביותר, וכולי תקווה שנעמוד במשימה."

"חלפה שנה מאז שהחלטנו להגיע לישראל ולפנות למרכז בלווטניק, והיום אני יכול לומר בוודאות שזו הייתה הבחירה הנכונה עבורנו," מסכם סקוט רייך. "בזכות הרוח הישראלית של שיתוף פעולה, רתמנו למאמץ גם חוקרים ממכון וייצמן ומאוניברסיטת בן-גוריון. כיהודים, אנחנו מרגישים מאוד נוח בישראל מבחינה רגשית, וזה המקום הנכון עבורנו במלחמה להצלת הבן האהוב שלנו. שנת 2021 תהיה שנה קריטית עבור איליי. אנחנו ממתינים לתוצאות מחקריות נוספות, ותמיד שומרים על אופטימיות."

המחקר הובל על ידי ד"ר טאקויה איוומורה (כיום באוניברסיטת אורגון) ואייל גולדשטיין מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, וד"ר קריס מורי מאוניברסיטת אימפיריאל קולג' ומבית הספר להיגיינה ורפואה טרופית בלונדון. כמו כן השתתפו במחקר חוקרים מבית הספר לרפואה טרופית בליברפול, מאוניברסיטת לנקסטר ומאוניברסיטת קלניה בסרילנקה. המאמר פורסם בכתב העת PLOS  Neglected Tropical diseases .  

למפות את נקודות המפגש בין נחשים ואנשים

"המחקר שלנו בנה מודל רב-תחומי ראשון מסוגו, שכולל את דפוסי ההתנהגות של שני הצדדים - נחשים ובני אדם, ומאפשר לזהות גורמי סיכון בזמנים ובמקומות שונים ולהתריע מפניהם. לדוגמה, המודל מסוגל להבחין בין אזורים עם סיכון גבוה מול סיכון נמוך להכשות, הבדל שיכול לבוא לידי ביטוי במספר כפול של הכשות ל-100,000 בני אדם", מסביר אייל גולדשטיין.

"נחשים ובני אדם פעילים בשעות יום שונות, בחודשים שונים ובבתי גידול שונים, והמודל מאפשר לזהות את נקודות המפגש ביניהם, בעיקר במקומות שבהם החקלאים עובדים", מרחיב דר' מורי. "כמו כן, שילבנו במודל גורם של אגרסיביות לכל מין של נחש - כמדד להסתברות של מפגש כזה להפוך להכשה".

ד"ר איוומורה מדגיש כי "הגישה שלנו היא לנתח אינטראקציות בין נחשים לבני אדם בצורה מתמטית, עם דגש על המימד האקולוגי. זוהי גישה חדשה לחלוטין להבנת המנגנון הגורם להכשות נחשים. בניגוד למרבית המחקרים שנערכו עד היום, שהתמקדו בעיקר בגורמי סיכון חברתיים וכלכליים, אנחנו בחרנו להתמקד בהיבטים אקולוגיים, כמו תנועת הנחשים במרחב, בתי הגידול, השפעת תנאי האקלים והמשקעים, וההתנהגות של חקלאים ונחשים, כמפתח לניבוי מפגש פוטנציאלי בין שני הצדדים".

^{כבר לא בלתי נמנע. מפגש בין חקלאי לנחש}

הכשות ומשבר האקלים?

בדיקת המודל מול נתונים קיימים בסרילנקה העלתה כי הוא מנבא בדיוק רב דפוסי הכשה באזורים שונים ובעונות שונות, וכן את תרומתם היחסית של מיני נחשים שונים לתמונה הכוללת, בהתאם לתצפיות מבתי חולים. כעת מבקשים החוקרים ליישם את המודל במקומות שבהם אין עדיין נתונים מדויקים על הכשות נחשים, ואף להיעזר בו לתחזיות לשנים הבאות, כאשר ההתנהגויות של שני הצדדים, האדם והנחש, ישתנו עקב שינויי האקלים, כמו למשל עלייה במשקעים שצפויה להגביר את פעילות הנחשים, לצד שינויים בשימוש בקרקעות ובאזורי מחיה זמינים לנחשים. 

"המודל שלנו יכול למקד את המאמצים במסגרת המדיניות להפחתת הכשות, ולהוות כלי התראה להגברת המודעות ולהצלת חיי אדם", אומר דר' איוומורה ומסכם "כמו כן, אנו רואים במחקר זה רק שלב ראשון בעבודתנו. בעתיד אנחנו מתכוונים לפתח מודלים מורכבים יותר של מפגשים בין בני אדם לבעלי חיים, על מנת לתמוך במדיניות ובקבלת החלטות בעולם האמיתי, הן בנוגע לבריאות הציבור והן בנוגע לשמירה על טבע".

מרכז בלווטניק לפיתוח תרופות הציב את המחקר במחלות נדירות כאחד מתחומי העניין המרכזיים של צוות המרכז, ובמהלך ארבע השנים מאז הקמתו צבר ניסיון רב בתחום. במרכז פותחה פלטפורמה לסריקת תרופות המאושרות על ידי ה-FDA על מודל ייחודי למחלה הנדירה על בסיס המוטציה של החולה, במטרה למצוא תרופת חמלה, תרופה המאושרת על ידי הרשויות להתוויה רפואית אחרת, שתינתן לחולה הסובל ממחלה קשה כאשר אין שום טיפול זמין עבורו.

הפלטפורמה עליה מתבסס המחקר במרכז כוללת כלים חישוביים וכלים ניסיוניים. בכלים החישוביים משתמשים למידול מבנה החלבון המוטנטי מול מבנה החלבון הבריא, השפעת השינוי המבני על הפונקציה שאותו חלבון צריך למלא, הבנת הקשר למחלה וניסיון לזהות חומרים בעלי פוטנציאל השפעה על מבנה החלבון שתוביל להשבתו לתפקוד תקין. הכלים הניסיוניים שבהם משתמשים במעבדה הם מערכות סריקה המתבססות על תאים מדווחים, ולאחר מכן ולידציה על תאים שמקורם בחולים. בניסיונות הללו משתמשים במערכות הדמיה מתקדמות ובשיטות חדשניות לניתוח תמונה.

מחלת העור והתרופה שעזרה

מחקר ראשון המתבסס על הפלטפורמה הנ״ל פורסם לאחרונה ב-British Journal of Dermatology. במאמר מתואר פרויקט שנערך במרכז בלווטניק לפיתוח תרופות בשיתוף פעולה עם פרופ׳ אלי שפרכר, מנהל מערך רפואת עור במרכז הרפואי ת״א ע״ש סוראסקי. המחקר עסק במחלת עור נדירה בשם hypotrichosis simplex of the scalp (HSS) ממנה סובלים כמה עשרות חולים בארץ. במהלך הפרויקט נסרקו במרכז בלווטניק לפיתוח תרופות אלפי תרופות כנגד מודל ייחודי שפותח עבור המחלה. אחת התרופות, האנטיביוטיקה ג׳נטמייצין (Gentamicin) שהראתה פעילות במודל במעבדה נבדקה גם בניסוי קליני על מספר חולים והראתה שיפור ניכר במצבם.

בימים אלה צוות המרכז עוסק בכעשרה פרויקטים שונים בשיתוף פעולה עם חוקרים מהאוניברסיטה ומבתי החולים המסונפים לה, העוסקים במחלות נדירות בתחומים שונים, מחלות ניוון שרירים, מחלות הפוגעות בראייה כדוגמת רטיניטיס פיגמנטוזה ואנירידיה, ומחלות נוירולוגיות ונוירודגנרטיביות.

היכולת של מרכז בלווטניק לפיתוח תרופות לחקור מחלות נדירות התפרסמה בקרב אירגוני חולים מקומיים ובינלאומיים, ובשנה האחרונה החל המרכז לשתף פעולה עם שלוש עמותות חולים בינלאומיות, על מנת לפתח מודלים חדשים לסריקת המחלות ולגילוי תרופות פוטנציאליות.

בכל שנה, ביום האחרון לחודש פברואר, מצוין ברחבי העולם היום הבינלאומי למחלות נדירות (Rare Disease Day), במטרה להעלות את המודעות בקרב הציבור הכללי ובקרב מקבלי ההחלטות בנוגע למחלות הנדירות ולהשפעתן על החולים בהם.

פרופ' יוסי יובל, מבית הספר לזואולוגיה, ,ממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וראש בית ספר סגול למדעי המוח, פרופ' אמיר אילי, גם הוא מבית הספר לזואולוגיה ומבית הספר סגול למדעי המוח, וד"ר בן מעוז מהפקולטה להנדסה ומבית הספר סגול למדעי המוח, רצו לדעת האם זה אפשרי לבנות מערכת ביו-היברידית, שתשלב מערכת ביולוגית בתוך רובוט. מי שהרימה את הכפפה היא עידן פישל, שעשתה תואר שני בהנחיית שלושת החוקרים והביאה את הפרויקט למאמר מדעי, שפורסם לאחרונה בעיתון Sensors.

לניסוי המהפכני בחרו החוקרים באוזן של חגב, חרק בעל אברי קול ושמע מפותחים. "רצינו להראות שאנחנו יכולים לעשות אינטגרציה בין מערכת ביולוגית ואלקטרונית, ובחוש השמיעה יש סנסורים חשמליים שמתאימים למשימה", מסביר ד"ר מעוז. "לחרקים יש מערכות שמיעה שהן פשוטות מבנית, אך עושות עיבוד נתונים מורכב. יחד עם זה, המערכת אדפטיבית, היא קלת משקל וקטנה בממדים שלה, וקלה יותר לשימוש מאשר אוזן של יונק למשל", מוסיפה עידן פישל, שהובילה את המחקר.

במחקר, שארך כשנתיים, לקחו חלק גם נטע שביל - דוקטורנית בהנחיה משותפת של השלושה, ד"ר אנטון שיינין ויוני עמית.

אוזן קשבת

החוקרים בודדו אוזן של חגב. אחרי שהוכיחו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, בנו פלטפורמת אוזן-על-שבב, שבעזרתה אפשר לקלוט את האותות שמגיעים לאוזן ולערוך הקלטה אלקטרו-פיזיולוגית של פעילותה, וחיברו אותה לרובוט. התוצאה: כשמשמיעים צליל, האוזן הביולוגית שומעת, ממש כפי שקורה בגוף האדם. האות הקולי הופך לאות חשמלי ומגיע לרובוט, שיודע להגיב בהתאם.

"גלי הקול גורמים לתזוזה של עור התוף של החגב, שמפעיל את המכנו-רצפטורים של אוזן החגב, בדומה לשערות האוזן שקיימות אצלנו. הן יודעות להמיר את הוויברציה המכנית לאות חשמלי, שיוצא דרך עצב השמיעה, מגיע אל המוח ומעביר את המידע", מסבירה עידן. "אחרי שהוכחנו שהמערכת ממשיכה לעבוד באופן תקין, שמנו אותה על שבב ומיקמנו אותה על הרובוט".

את השבב שתומך באוזן, בנה צוות החוקרים בעזרת תוכנה ומדפסת תלת ממד. "הייתי צריכה לתכנן שבב שיהיה מודולרי, כדי שאפשר יהיה לשים אותו על הרובוט, שהוא יוכל לחוש את הפעילות החשמלית של מערכת השמיעה, ושמבחינה פיזיולוגית ומבחינה מבנית הוא יתאים למערכת השמיעה של החגב. כלומר, שהוא יאפשר מצד אחד סביבה מימית, אך מצד שני יאפשר כניסה של אוויר ושל גלי הקול, בדומה לאיך שהדבר קורה אצל בעל החיים", מפרטת עידן את תהליך המחקר.

את הרובוט, תכנן ובנה יוני עמית, יחד עם עזרתו של ד"ר אנטון שיינין. הרובוט תוכנן כך שיהיה מודולרי ויוכל בקלות להיות מתוכנת להגיב לצלילים שונים.

^{מכינה מקום לאוזן על השבב. עידן פישל}

רובוט ביו-היברידי בהאזנה

"האתגר העיקרי היה להפוך את המערכת הקיימת לדבר מודולרי. הפלטפורמה קטנה מאוד, והרעיון הוא שאפשר יהיה להרכיב אותה על משהו בגודל של טלפון סלולרי", מסכימים ד"ר מעוז, פרופ' יובל ופרופ' אילי. "כמו כן, שילוב הכוחות ביננו הוביל לגישור על 'פערי שפה' שקיימים בין תחומי המחקר שלנו ואיתגר את הסטודנטים והסטודנטיות, שהסכימו להשתתף במחקר ולהיות פתוחים לשגעונות חדשים", מוסיף פרופ' אילי בחיוך.

"חשוב לזכור שהאתגר הוא אדיר. לכן כשהחלטנו להתחיל בחרנו ללכת על משהו שקל להשוות אותו למערכות קיימות, כמו למשל מיקרופון או רמקול, אבל אנחנו בטוחים שניתן לקחת את הפרויקט למקומות נוספים, כמו למשל איברי שמיעה של חרקים נוספים, ריח, ראייה – חושים אחרים ששם לחרקים יש יתרונות אדירים," אומר ד"ר מעוז.

היות והתחום ההיברידי נושא הבטחה גדולה, גופים רבים מתעניינים במחקר. "השלב הבא יכלול שילוב של machine learning, גם בצד שקורא את הסנסור הביולוגי וגם בצד שמפעיל את המנועים. כלומר, נחקה את הטבע גם באלגוריתמיקה," מגלה פרופ' יובל. "בעתיד, רובוט כזה יוכל לגלות חומרי נפץ או אנשים שאבדו. אולי יהיו נחילים של רובוטים, שידברו ביניהם וכל אחד מהם יהיה מצויד בחיישנים, כיד הדמיון הטובה", אומר פרופ' אילי.

"בנינו מערכת שהיא ביו-היברידית: יש בה גם רכיבים ביולוגיים וגם רכיבים חשמליים. כשהקונספט הזה של שילוב עובד – אין סוף לאפשרויות. ניתן יהיה לעשות אפליקציות עתידניות, כמו לדוגמא לחבר שתי אוזניים לצ'יפ לצורך איכון, נוכל ליצור רובוטים שמשלבים מספר חושים, לדוגמא מערכת שמיעה וראייה על גבי אותו הרובוט. יכול מאוד להיות שאפילו השמיים הם לא הגבול", מסכמת עידן.

^{מחיאות כפיים! הוא שומע! הרובוט הביו-היברידי מגיב לקול}

במסגרת המחקר, ביקשו החוקרים לחקור תהליכי מתילציה באפיגנטיקה בין-תאית (שבה השינוי נשמר בזמן חלוקה של תא האם לתאי הבת) בצמח הטחב - מהצמחים הקדומים ביותר באבולוציה, שקיים עד היום. המחקר נערך בהובלת פרופ' ניר אוהד, ראש מרכז מן לביטחון מזון מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, ד"ר אסף צמח, ד"ר קתרין דומב וד"ר אביבה כץ. המאמר פורסם בכתב העת המדעי PNAS.

"המנגנון שגילינו הוא יעיל מאוד, אך שונה מהותית מרוב המנגנונים האפיגנטיים השומרים על תפקוד הגנום ביצורים מפותחים יותר, מצמחים פורחים ועד האדם", מסביר פרופ' אוהד. "אנחנו סבורים שהוא עשוי לשמש ככלי חדשני לשליטה בביטוי גנים במחקר, ברפואה ובתעשייה הביוטכנולוגית".

חלון הצצה אל האבולוציה

באמצעות הנדסה גנטית יצרו החוקרים צמחי טחב בעלי שתי מוטציות שונות: בחלקם התרחשה מתילציה רק על רצפי CG בגנום - סוג המתילציה הנפוץ ביותר באורגניזמים מפותחים, כולל האדם ואחד משלושה בצמחים, ובחלקם היא התרחשה רק על רצפים אחרים, שאינם CG (non-CG).

להפתעתם גילו החוקרים שבניגוד לאורגניזמים מפותחים, בטחב קיים שוויון כמותי בין שני סוגי המתילציה, ויותר מכך: המתילציה על רצפים שאינם CG יעילה ופעילה יותר, ומשפיעה יותר על ביטוי הגנים. הם מצאו כי טחב ללא מתילציה מסוג זה נפגע בצורה קשה ביותר, והתפתחותו אינה תקינה.  

"מדובר במנגנון ראשוני מאוד, שנותן לנו חלון הצצה אל האבולוציה של בקרה אפיגנטית בצמחים, כבר בשלביה המוקדמים ביותר", אומר פרופ' אוהד. "במחקרים הבאים נוכל להשוות את המנגנון הקדום למתילציה שהתפתחה בהמשך הדרך, לדוגמה בגנום של צמחים פורחים, שהופיעו לפני 100 מיליון שנה, כלומר 300 מיליון שנה אחרי הטחב".

"התגלית שלנו מחוללת מהפך בתפיסה המקובלת", מחזק את דבריו ד"ר צמח ומסכם "היא מוכיחה את חשיבותו ואת יעילותו של מנגנון המתילציה ברצפים שאינם CG, אשר בבני אדם קיים בעיקר בעוברים ובמוח. יותר מכך, היא נותנת בידינו ארגז כלים חדש ואפקטיבי לשליטה על בקרת הגנים בכל אורגניזם – צמחים, בעלי חיים ובני אדם. כלים חדשניים אלה עשויים לשמש בעתיד לפיתוחים ביוטכנולוגיים בתעשייה, בחקלאות וברפואה".

פרופ' ניר אוהד