חוקרים בטכניון פיתחו חלקיקים ננומטרים חדשים לסימון תאים עבור דימות MRI ומיקרוסקופיית אור

צוות מחקר בין-תחומי מהטכניון פיתח חלקיקים ננומטריים שישפרו את איכותן של סריקות מוח. זאת באמצעות שילוב סריקת MRI וצילום במיקרוסקופיית אור. החוקרים, כולם חברי המכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI), הם פרופ׳ לילך עמירב מהפקולטה לכימיה ע״ש שוליך, ד"ר שי ברלין ופרופ' איתמר קאהן מהפקולטה לרפואה ע"ש רפפורט. תפקיד מרכזי בעבודה מילאו ד״ר סנדיפ פהרי ושונית אולשקר, דוקטורנטית במעבדתו של ד"ר ברלין.   

סריקת רקמות ביולוגיות ב-MRI (דימות תהודה מגנטית) היא טכנולוגיה לא פולשנית שחוללה מהפכה בעולם הרפואה, שכן היא מציגה תמונה נרחבת ועמוקה של רקמות, של איברים ואפילו של הגוף השלם. חסרונה בכך שהיא אינה מספקת רזולוציה גבוהה ברמת התא הבודד. מיקרוסקופיית אור, לעומת זאת, מסוגלת לספק רמת הפרדה גבוהה, ברמה של תאים בודדים, אך היא מחייבת חדירה לתוך הרקמה.

על רקע זה פועלים צוותי מחקר ברחבי העולם על פיתוח טכנולוגיה שתשלב בין ה-MRI למיקרוסקופיית האור, כך שהתוצר המתקבל יהיה תמונה רחבה בהפרדה גבוהה. בסריקת מוח, לדוגמה, יאפשר המיקרוסקופ מיפוי של תאים בודדים ואילו ה-MRI יספק את תמונת המוח השלם. שילוב יעיל בין שתי הטכנולוגיות, הנקרא סריקה דו-מודאלית (in vivo dual-modal imaging), יעניק לחוקרים ולרופאים את הטוב שבשני העולמות.

שילוב זה הוא אתגר טכנולוגי מורכב מאוד, ולכן נדרש לפתרונו שיתוף פעולה בין-תחומי המשלב יכולות בתחומים רבים ובהם כימיה, ביולוגיה מולקולרית ותאית, פיזיקה של MRI ומדעי הרפואה – שיתוף שהושג לאחרונה בצוות המחקר הטכניוני. לדברי פרופ' עמירב, "האתגר המרכזי היה פיתוח וייצור של חלקיקים המסוגלים לשמש כסמנים דו-מודאליים, כלומר חלקיקים ה'צובעים' תאים בסיגנל שאפשר לראות באמצעות מכשיר MRI ומיקרוסקופ אור בעת ובעונה אחת." לדברי פרופ' עמירב, פתרונות שנבחנו בעבר בעולם כללו ניסיונות לחבר חלקיקים מסוג תחמוצת הברזל, שאותם אפשר לדמות ב-MRI, לחומרים פולטי אור שאפשר לראות במיקרוסקופ האופטי. הבעיה היא שחיבור ישיר של שני החומרים זה לזה מביא לאובדן פליטת האור וכך מנטרל את הסמן למיקרוסקופ האור. פתרון חלופי שהוצג לאחרונה כלל מאגד של חלקיקים רבים (הן סמנים ל-MRI והן סמנים למיקרוסקופ האור). למרות הצלחה מסוימת במימוש התכנון הזה, גודלו של המאגד מגביר את רעילותו, מגביל את החדרתו לרקמות ביולוגיות שונות ועלול להשפיע במידה רבה על משך שהותו ברקמה או בתא (כלומר הזמן בו ניתן לבצע את הדימות).

בשני מאמרים שפורסמו לאחרונה מסכם צוות המחקר הטכניוני את הצלחתו בפיתוח חלקיקים ננומטריים המשמשים כסמנים דו-מודאליים אפקטיביים העונים על הצורך האמור. גודלו של כל חלקיק הוא כ-10 ננומטר והוא מורכב מכדור חלול של תחמוצת ברזל שבתוכו צף חלקיק פולט אור. מבנה זה המזכיר ביצה, עם מעטפת חלולה ובתוכה ליבה, מונע מגע ישיר בין החומרים השונים וכך מאפשר שמירה על התכונות של כל אחד מהמרכיבים, ובפרט שומר על פליטת האור החיונית לדימות במיקרוסקופ האופטי.

במאמר הראשון, שהתפרסם בכתב העת Chemistry of Materials, הציגו פרופ' עמירב ופרופ' קאהן את החלקיק הזעיר ואת ישימותו הביולוגית. כעת, בעקבות הצטרפותו של ד"ר ברלין למחקר, נוסף לחלקיק המרכיב הביולוגי. במאמר הנוכחי, שהתפרסם בכתב העת Frontiers in Neuroscience, מציגים השלושה דימות דו-מודאלי בתאים חיים ואת ההתקדמות הניסויית שהושגה בחודשים האחרונים.

"לאחר הפיתוח המוצלח של חלקיקים דו-מודאליים זעירים, כלומר חלקיקים הניתנים לקריאה ב-MRI ובמיקרוסקופ אור, הוספנו להם זהות ביולוגית," מסביר ד"ר ברלין. "זאת באמצעות ציפוי החלקיקים במעטפת ביולוגית המאפשרת את החדרתם לתוך התא. במילים אחרות, יצרנו ישויות שיודעות לנווט לתוך תאים, ובעתיד נוכל להתאים את המעטפת כך שתאפשר לסמן תאים ספציפיים. החלקיקים הדו-מודאליים שיצרנו נצפים במיקרוסקופ אופטי וב-MRI, וגודלם המזערי מקנה להם יתרון בולט נוסף: הם יודעים לחדור לתאי יעד ולהצטבר בהם, תכונה המאפשרת לנו לסרוק אותם סלקטיבית ב-MRI ובמיקרוסקופ אופטי במשך זמן ממושך."

המחקר, מציינים החוקרים, עדיין בעיצומו. המאמרים הנוכחיים מציגים הוכחות היתכנות לגבי תפקוד החלקיקים, התאמתם הביולוגית ויכולתם לחדור לתאים, ובמיוחד לתאי סרטן ועצב. קבוצות המחקר ממשיכות לשקוד על תכנון ופיתוח של חלקיקים רב-תכליתיים חדשים ומשוכללים ועל אופני החדרתם לתאים באופן ממוקד וסלקטיבי. לדברי ד"ר ברלין, "כדי לסמן את תאי היעד כך שהחלקיקים שלנו ינווטו אליהם אנחנו מפתחים דרכים חדישות לסימון תאים נבחרים בווירוסים מהונדסים, כך שבאותם תאים תוביל ההדבקה הוויראלית לביטוי של 'חלבון אנטנה' שימשוך ויקלוט את החלקיקים ויאפשר דימות ממושך וספציפי."

אף שטווח היישום הפוטנציאלי עצום, צוות המחקר המשותף מתעניין בעיקר במוח. "במוח," מסביר פרופ' קאהן, "יש מיליארדי תאים מסוגים שונים: תאים מעוררים, תאים מדכאים ותאי תמיכה. לכן חשובה היכולת שלנו להבדיל בין אוכלוסיות תאים שונות. לשם כך חיוני לסמן באופן מובחן תאים הקשורים למחלת ניוון עצבי כלשהי, פרקינסון לדוגמה. החלקיקים הרב-תכליתיים שפיתחנו יאפשרו זאת. נסמן את אוכלוסיית התאים הספציפיים, נשגר אליהם את החלקיקים שלנו ונעקוב אחריהם לאורך זמן באמצעות הניטור הכפול שלנו ב-MRI ובמיקרוסקופיה."

הטכנולוגיה החדשה עשויה לסייע גם בזיהוי תאי סרטן ובטיפול בהם. "אם נגרום לתאי הסרטן לבטא את אותו חלבון אנטנה," אומר ד"ר ברלין, "החלקיקים שלנו יצטברו בהם וכך נוכל לזהות במדויק את מיקום תאי הסרטן בסריקת MRI ולתקוף אותם באופן מדויק."

המחקר נערך במסגרת המכון לננוטכנולוגיה ע"ש ראסל ברי (RBNI) והמרכז הבין-תחומי למדעי החיים וההנדסה ע"ש לורי לוקיי, ומומן על ידי הקרן הלאומית למדע (ISF), מכוני הבריאות האמריקאים (NIH), קרן אדליס ומרכז פרינס לחקר מחלות ניוון עצבי.