חלון תרפויטי למערכת העצבים

ד”ר חמי רוטנברג

חומר חדש שפותח במחקר משותף בטכניון ובאוניברסיטת שיקגו סולל דרך לשיקום רקמות עצב פגועות וקיצוב לב על ידי מקור אור חיצוני לגוף. הקונספט הכללי: האור המוקרן לתוך הגוף (אינפרה-אדום) יפגע ביריעה מהחומר החדש, וזו תפעיל את רקמת העצב הפגועה או הלב. את המחקר שהתפרסם ב-Nature Materials הובילו ד”ר חמי רוטנברג מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון ופרופ’ בוז’י טיאן מאוניברסיטת שיקגו.

רקמות עצב הם הפלטפורמה הביולוגית המוליכה מידע בין אזורים בגוף. רובן ככולן נמצאות בשני מרכזי הבקרה של מערכת העצבים המרכזית: המוח וחוט השדרה. ממערכת העצבים המרכזית מסתעפת מערכת העצבים ההיקפית, המבקרת היבטים רבים של פעילות ובהם הפעלת שרירים והעברת מידע חושי.

פגיעה במערכת העצבים ההיקפית עלולה להוביל למגבלות כגון שיתוק, נִמְלוּל וכאב כרוני. רקמות עצב במערכת זאת אומנם יכולות לעבור התחדשות (רגנרציה) אולם זו איטית ומוגבלת. עם זאת, התערבויות רפואיות מסוימות עשויות לאפשר שיקום מסוים שלהן.

אחד הפתרונות לטיפול בעצבים פגועים הוא גירוי חשמלי (סטימולציה), שיעילותו הודגמה במחקרים רבים. הבעיה היא ששיטה זו כרוכה בדרך כלל בביצוע הליך פולשני העלול להזיק לרקמות הגוף.

הפיתוח שמציג ד”ר רוטנברג Nature Materials עשוי לייתר את השימוש בהחדרת אלקטרודות. חוקרי הטכניון ואוניברסיטת שיקגו ייצרו חומר חדש, מוליך למחצה, בתצורה של יריעה גמישה ואולטרה-דקה המתממשקת היטב עם רקמות ביולוגיות. הרעיון המודגם במאמר הוא שימוש ביריעה זו לעיטוף רקמת העצב הפגועה, או במקרה שמדובר בקיצוב לב – עיטוף של הלב עצמו. שלב זה יבוצע במסגרת הניתוח הנחוץ ממילא במקרה של פגיעות כאלה.

“הפיתוח שלנו הוא חומר פוטו-וולטאי, כלומר חומר הממיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית המשפיעה על רקמת העצב,” מסביר ד”ר רוטנברג. “במאמר אנחנו מדגימים את יעילות החומר החדש בשני הקשרים שונים – קיצוב לב ושיפעול של מערכת העצבים ההיקפית. בהקשר של טיפולי לב, לדוגמה, השימוש ביריעה כזאת יכול להאיץ שיקום אחרי ניתוח ולייתר את השימוש באלקטרודה זמנית המוחדרת ללב. מאחר שהיריעה שפיתחנו עשויה מחומר מבוסס סיליקון, המתפרק בגוף ללא אפקט רעיל כלשהו, אין צורך בפעולה כירורגית נוספת להוצאתה מהגוף.”

יריעת הסיליקון כפי שהיא נראית לפני שעוטפים בה את הלב או את רקמת העצב. הצבעוניות שרואים נובעת מהפורוזיביות של פני השטח – ננו-חורים השוברים ובולעים את אורכי הגל השונים של האור באופן לא הומוגני, מה שגורם לצבעי הקשת השונים להופיע.

ייחודו של החומר שפיתחו החוקרים בהיותו מוליך-למחצה חריג מאוד, המקיים תכונה שאינה מתקיימת בדרך כלל בחומר יחיד: ממשק p–n junction, או דיודה.

הנה הסבר קצר: מוליכים-למחצה מבוססים על פערים אנרגטיים הקובעים את רמת המוליכות שלהם. בדרך כלל הם בנויים מחומרים מסוג N-type, התורמים לחומר אלקטרון, וחומרי P-type הלוקחים מהחומר אלקטרון; החיבור בין שני החומרים יוצר ממשק יעיל הקרוי p–n junction, שהוא אבן הבניין של התקנים אלקטרונים ותאים סולריים.

החיבור בין שני החומרים השונים הוא אתגר טכנולוגי מורכב מאוד, ומכאן חשיבותו של הגילוי המוצג במאמר החדש: דיודה העשויה רק מ P-type וצומת הבנוי מסיליקון רגיל וסיליקון נקבובי.

ד”ר רוטנברג מספר כי החומר החדש נוצר באופן לא מתוכנן. “בטעות השתמשתי במעבדה בפינצטת מתכת המספקת לתהליך יוני ברזל – משהו שלא תכננתי שיקרה. יוני הברזל שימשו קטליזטור ליצירת הננו חורים על פני השטח של הסיליקון.”

לדברי ד”ר רוטנברג, החומר החדש מהווה חלון תרפויטי המאפשר לצוות הרפואי להשפיע מבחוץ על רקמות גופו של המטופל. גם מחוץ לתחום הרפואי צפוי הפיתוח החדש לתרום רבות ליישומים שונים, למשל בתחום האנרגיות המתחדשות. מאחר שמקורות אנרגיה מתחדשים כגון השמש הם הפכפכים, כלומר אינם פועלים בעוצמה קבועה לאורך היממה, אחסון האנרגיה הופך לאתגר מרכזי בקידום השימוש באנרגיות אלה. אחת המגמות בהקשר זה היא ייצור מימן באמצעות פירוק מים בכוח קרינת השמש, זאת משום שהמימן המיוצר מהווה מקור אנרגיה בר אחסון. ד”ר רוטנברג מעריך ומקווה שהחומר החדש שפיתח עם עמיתיו יאיץ את פיתוחם של התקנים סולאריים מתקדמים ויעילים יותר.

בסרטון: לב מבודד שמתכווץ ספונטנית. על דופן הלב אפשר לראות מימין את יריעת הסיליקון. באמצעות הקרנת אור על היריעה אפשר לשנות את קצב הלב במקרה של בעיית קצב. באופן דומה אפשר להשפיע על תנועות גפיים באמצעות פולסים של אור. הכוונה היא כאמור להשתמש באור אינפרה-אדום החודר דרך רקמות הגוף, אולם בסרטון נעשה שימוש באור נראה (ירוק) כדי להדגים את מנגנון הפעולה

למאמר בכתב העת Nature Materials  לחצו כאן