האם מחשב יחליף בע"ח בניסויים?
מודל ממוחשב שפותח באוניברסיטת תל אביב יאפשר לבטל את הצורך בניסויים בבעלי חיים במחקרים על פצעים כרוניים, פצעי לחץ וכיבים בכפות רגליים של חולי סוכרת
אחת הבעיות האתיות והמעשיות העומדות בפני המחקר המדעי היא הצורך, שבמקרים רבים הוא בלתי נמנע, לבצע ניסויים בבעלי חיים. כעת לפחות בתחום אחד של מחקר ניתן לוותר על הניסויים בבעלי חיים לטובת ניסויים המשלבים תרביות רקמה ותוכנה ממוחשבת.
פרופ' עמית גפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב פיתח אלגוריתם ממוחשב, שכאשר סורקים לתוכו בתלת מימד תא חי באמצעות מיקרוסקופ לייזר, הוא מסוגל להמשיך ולבצע על המודל הממוחשב של אותו תא ניסויים רבים הגורמים לעיוות התא ולראות כיצד הוא יתנהג.
פרופ' גפן עוסק בשנים האחרונות במחקר של פצעים כרוניים, בעיקר פצעי לחץ וכיבים בכפות רגליים של חולי סוכרת שהם הגורם הראשון לקטיעה של רגליים. פצעי לחץ, בניגוד למקובל לחשוב לא מופיעים רק אצל קשישים אלא אצל כל הסובלים מהפרעה מוטורית או סנסורית, החל מפגים דרך נפגעי תאונות דרכים שהפכו למשותקים, חולי שבץ ואפילו אנשים בריאים שנכנסו לניתוח ארוך ופיתחו פצעי לחץ. כדי לחקור את התחום וללמוד כיצד נוצר פצע לחץ וכיצד הוא מתפתח נדרש פרופ' גפן בתחילת דרכו לבצע ניסויים לא נעימים, בעיקר בחולדות, שהיו כרוכים בגרימת פצעים לחיות (המורדמות) ואשר סבלו מבעיות כגון קושי בחזרה מדויקת על הניסוי כדי לאושש את תוצאתו.
בשנים האחרונות עבר פרופ' גפן להשתמש במקום זאת בתרביות רקמה - תאי עור, שריר, עצם וכל תא נדרש שהוצאו פעם אחת מגופם של בעלי חיים (ובחלק מהמקרים גם של בני אדם, עור למשל), ומאז הם התרבו במעבדה, וכל פעם ניתן לנצל אותם מחדש לניסויים.
באמצעות הפעלת לחצים על התאים בתרביות הרקמה יכולים החוקרים ללמוד על תכונותיהם. כך התגלה כיצד מזרזים כיווץ או מתיחה של תאים את הרס התאים. השלב הבא, שלאחר הניסוי הפיזי במעבדה הוא להמשיך לבצע ניסויים רבים על אותו תא כדי לבחון את התנהגותו וכדי לא להרוס את התא. בניסויים אלה מעבירים אותו למחשב, או יותר נכון סורקים אותו, ונותנים לאלגוריתם ממוחשב להמשיך "להתעלל" בתא, לשנות את התנאים הסביבתיים, להפעיל לחצים ולבחון את ההתנהגות של התא, כמו בכל ניסוי מדעי, לרבות חזרות בתנאים מבוקרים.
"לאחרונה נערכו כמה ניסיונות לפתח מודלים דו ממדיים ותלת ממדיים של תאים, ואולם מידול תלת ממדי מבוסס מיקרוסקופיה של תאים ספציפיים, שיאפשר ניתוח עיוותים בקנה מידה נרחב, לא פותח עד כה", אומר פרופ' גפן. "המטרה שלנו היתה לפתח שיטת מידול שתספק ייצוג תלת ממדי ראילסטי של התאים, כולל הרכיבים התת-תאיים כגון גרעין התא, הנוזל התוך תאי (ציטוזול), קרום הפלזמה של התא ושלד התא, ויאפשר ניסויים בו זמניים של מכאניקת התא הכוללים עיוות גדול של התא. מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה שימשה לבניית הגיאומטריה המדויקת של תא שריר ותא עור כולל מרכיבים תת-תאיים שלהם".
לדברי פרופ' גפן עד כה בוצעו באמצעות האלגוריתם שני ניסויים: דחיסה משטחת של התאים ומתיחת התאים על גבי משטח אלסטי. "חקרנו את עוצמת ופיזור הלחצים בתאים, במיוחד המתיחות של קרום התא ופני השטח של הגרעין, דבר שעשוי להשפיע על חדירות מבנים אלה ולפיכך להפריע לחילוף החומרים של התא. שימוש בשיטה שפיתחנו יאפשר להעשיר במידה ניכרת את הניסויים הבודקים מכאניקה של תאים, בעיקר ניסויים קלאסיים בהם נבחנים העומסים על התא במקרה של דחיסת התא, מתיחתו, תגובתו ללחץ שלילי (ואקום), ניקובו, הזזתו, כוחות החולפים דרך התא וכן לחץ הידרוסטטי. זאת באמצעות מתן ערכים לעוצמת ופיזור העומסים על תא ספציפי או על סוג ספציפי של תאים".
פרופ' גפן מעריך כי השיטה שפיתח יכולה להפוך לשיטה גנרית לחקר השפעות חיצוניות על תאים לא רק בתחומי המחקר בהם עוסקת מעבדתו אלא במגוון רחב של תחומים, והיא תוכל להביא בין היתר גם לביטול הצורך לפחות בחלק מהניסויים בבעלי חיים. עבודת המחקר של פרופ' גפן והדוקטורנטית בהנחייתו, גב' סלומקה, התפרסמה השבוע בכתב-העת המדעי הבינלאומי המוביל בביומכניקה, Journal of Biomechanics.
בואו לדבר על זה בפורום סוכרת.
