מבט חודר בתלת-ממד

חוקרי הטכניון פיתחו שיטה חסרת תקדים לדימות תלת-ממדי של תהליכים ננומטריים בתוך תאים חיים הנמצאים בתנועה. קבוצת המחקר של ד”ר יואב שכטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית פירקה מכשיר דימות קיים בשווי מאות אלפי דולרים והרכיבה אותו מחדש. התוצאה: מכשיר המבצע דימות תלת-ממדי של 1,000 תאים בדקה

חוקרים בטכניון פיתחו שיטה חדשנית לדימות תלת-ממדי של תהליכים ננומטריים – למשל בתוך תאים חיים בנוזל הנמצא בזרימה. המחקר, שהתבצע בקבוצת המחקר של ד”ר יואב שכטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בהובלת הפוסט-דוקטורנט ד”ר לוסיאן וייס, התפרסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature Nanotechnology.

לדברי ד”ר שכטמן, “המטרה שלנו היא לאפשר דימות תלת-ממדי בתוך תאים חיים בתנאים המדמים את סביבתם הטבעית, וחשוב לא פחות – לעשות זאת בתפוקה גבוהה (קצב מהיר). זהו אתגר עצום, כי מיקרוסקופיה תלת-ממדית מצריכה לרוב זמן ממושך וסריקה כלשהי. כאן עשינו זאת מתמונה בודדת ותוך כדי זרימה.”

הניסויים במערכת החדשה נערכו על מולקולות די-אן-איי בתאי שמרים חיים ועל תאי דם לבנים עם חלקיקים ננומטריים מהונדסים שסיפקה מעבדתו של פרופ’ אבי שרודר מהפקולטה להנדסת כימית ע”ש וולפסון בטכניון. תמצית ההישג: דימות תלת-ממדי, ברזולוציה גבוהה, בתוך יותר מ-1,000 תאים בדקה.

ד”ר שכטמן מסביר כי “להצלחה הזאת יכולים להיות יישומים חשובים מאוד בהקשר של מדע בסיסי, למשל בהבנת המבנה התלת ממדי של די-אן-איי בתוך תא חי, אבל גם בתחום של ננו-רפואה, כלומר בטיפול רפואי המבוסס על חלקיקים ננומטריים מהונדסים כפי שמפתחים במעבדה של פרופ’ שרודר. כך, למשל, נוכל למדוד באמצעות הטכנולוגיה החדשה את קצב הבליעה של חלקיקים תרפויטיים כאלה בתא החי, לעקוב אחר התפזרותם בתא ולנטר את השפעותיהם עליו. כיום יש שיטות למיפוי ולמדידה של תאים, אבל השיטות המאופיינות בתפוקה גבוהה מספקות תמונה חלקית ודו-ממדית. הטכנולוגיה שלנו משלבת את היתרונות של השיטות השונות ומספקת תמונה תלת-ממדית בקצב גבוה.”

ד”ר יואב שכטמן. קרדיט צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

הטכנולוגיה החדשנית מבוססת על הנדסה-מחדש של ImageStream – מכשיר דימות מתקדם שנרכש במאות אלפי דולרים על ידי המרכז הבין-תחומי למדעי החיים וההנדסה ע”ש לורי לוקיי בטכניון. מכשיר זה משלב שתי טכנולוגיות שונות – ציטומטריית זרימה (flow cytometry) ומיקרוסקופיה פלורסנטית – וכך מאפשר לבצע אנליזה של תאים בקצב גבוה.

לדברי ד”ר שכטמן, “קצב הדגימה וכמות התאים הנדגמים חשובים מאוד בהקשר הביולוגי, כי ניסוי ביולוגי הוא תמיד ‘רועש’ ולא מדויק, וכדי להסיק מסקנה כמותית כלשהי חייבים סטטיסטיקה על כמויות גדולות. יש מקרים שבהם, בגלל קצב דגימה נמוך, אי אפשר לאסוף סטטיסטיקה כזו, כי עד שאתה גומר לאסוף את המידע – התופעה הנחקרת כבר השתנתה. לכן חשוב שתהיה לנו טכנולוגיה שמאפשרת דגימה בקצב גבוה.”

ImageStream משמש לצרכים רבים ובהם אפיון אוכלוסיות, אבחון מצבים רפואיים ובדיקה של תרופות חדשות. “זה מכשיר מעולה,” אומר ד”ר שכטמן, “אבל יש לו מגבלה משמעותית – הוא מאפשר דימות של עצמים בשני ממדים בלבד, כלומר נותן לנו רק מיפוי דו-ממדי שלהם. ברור שזאת בעיה, מפני שעצמים בעולם האמיתי הם תלת-ממדיים. אפילו אם אנחנו רוצים לבדוק רק מרחקים בתוך חלקיק כלשהו, מדידה דו-ממדית אינה מספיקה, כי גם בממד העומק יש מרחק מסוים בין כל שתי נקודות.”

ד”ר לוסיאן וייס. קרדיט צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

וזה בדיוק היה האתגר הטכנולוגי המרכזי במחקר הזה – להפוך את ImageStream למכשיר לדימות תלת-ממדי. “לשם כך היינו חייבים לפתוח אותו ולהרכיב אותו מחדש עם המערכת האופטית הייחודית שלנו. צריך לזכור שמדובר במכשיר של 600 אלף דולר,
כך שההסכמה של מרכז הדימות במכון לוקיי לעשות את זה לא הייתה מובנת מאליה, אבל מהרגע שפתחנו את המכשיר והסתכלנו בתוכו, היה לנו ברור מה צריך לעשות (מבלי להזיק).”

קבוצת המחקר הרכיבה על ImageStream את הטכנולוגיה שפיתחה בשנים האחרונות – טכנולוגיה למיקרוסקופיית לוקליזציה המבוססת על עיצוב חזית גל. זהו למעשה עיוות מבוקר של המערכת האופטית, שמאפשר למפות את מיקומיהם של חלקיקים במרחב התלת-ממדי. טכנולוגיה זו מבוססת על צילום של מולקולות צביעה המוטמעות בדגימה ומסמנות מיקומים חשובים בתוכה (למשל גרעיני תאים). על סמך הצורה המתקבלת במצלמה, לאחר שעברה במערכת האופטית המעוותת, מנתחת המערכת את מיקומו התלת-ממדי של העצם הנבדק.

תרשים של המערכת הייחודית שבנתה קבוצת המחקר. Photo by courtesy of Nature & Lucien Weiss

עד כה שימשה הטכנולוגיה לדימות תלת-ממדי של מערכות סטטיות, והחיבור למכשיר הציטומטריה מקנה לה יכולת למפות תאים בזרימה. חיבור זה, שהוא כשלעצמו אתגר טכנולוגי עצום, הוביל להצלחה בדגימה בקצב גבוה מאוד – אלפי תאים בדקה. קבוצת Nature, כאמור, הביעה אמון בפריצת הדרך בפרסום בכתב עת מוביל שלה, והחוקרים מעריכים כי ההישג הטכנולוגי יוביל להתפתחויות מדעיות ויישומיות חשובות במחקר הביולוגי והביוטכנולוגי, באבחון רפואי ובפיתוח טיפולים רפואיים חדשים.

בעבודה השתתפו גם ד”ר אונית אללוף, ד”ר שרה גולדברג, והדוקטורנטים יעל שלו עזרא, בוריס פרדמן ועומר אדיר.

לקריאת המאמר ב-Nature Nanotechnology לחצו כאן

לסרטון המסביר את המחקר: