Category Archives: כתבות אמצע

פרופ’ ג’וזואה שניטמן (מימין) וד״ר אלירם נוף

כעשירית מהתינוקות בעולם נולדים בטרם עת, לפני שמערכות גופם הספיקו להתפתח כראוי. אחת המערכות האלה היא מערכת הנשימה, שמגיעה לבשלות מלאה בגיל שנתיים וחיונית לשרידות התינוק. כשהעובר נמצא ברחם הוא מקבל חמצן מאמו דרך חבל הטבור, אך לאחר הלידה עליו לנשום בכוחות עצמו. לכן פגים מאופיינים במקרים רבים במצוקה נשימתית ונזקקים לתמיכה כדי לנשום. יתר על כן, ככל שהפג נולד מוקדם יותר המצוקה הנשימתית קשה יותר והוא צפוי לתקופת הנשמה ארוכה יותר. לעיתים, ההנשמה נעשית באמצעות מכונת הנשמה המכניסה אוויר לריאות דרך צינור המוחדר לקנה הנשימה.

למרות השיפור הנמשך בטכנולוגיות הנשמה וטיפול בפגים, שיעורי התחלואה בקרבם עדיין גבוהים מהרצוי. אחת הבעיות נובעת מכך שטיפולים חיוניים בפגייה, לרבות הנשמה מלאכותית, אומנם מונעים מוות אך יוצרים נזקים ותופעות לוואי שעלולים להשפיע על המטופל בטווח הארוך. השפעות אלה ומקורות הנזק של הנשמה מלאכותית עדיין אינם מובנים במלואם. זה הרקע למחקר הנעשה במעבדתו של פרופ’ ג’וזוואה שניטמן מהפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.

במחקר קודם, שהתפרסם בשנה שעברה ב-Journal of the Royal Society Interface, גילו פרופ’ ג’וזואה שניטמן וד”ר אלירם נוף תופעה שאינה מוזכרת כלל בספרות הרפואית: נזק ריאתי כתוצאה מסילון אוויר ביציאה מהצינור המוחדר לקנה הנשימה של הפג בזמן ההנשמה המלאכותית. באמצעות מודל פיזיקלי (מכניקת זורמים) גילו השניים כי סילון זה מפעיל כוחות גזירה חזקים על רקמת האפיתל – שכבת התאים שמצפה את דרכי הנשימה. הכוחות האלה עלולים לגרום לנזקים המסכנים את המטופל, ועל אחת כמה וכמה כשמדובר בפג.

במחקר ההמשך, שהתפרסם כעת בכתב העת Bioengineering & Translational Medicine, בדקו החוקרים את ההיפותזה במודל חדש המכיל אפיתל אנושי מלאכותי. את המחקר הובילו פרופ’ שניטמן, ד”ר אלירם נוף וד”ר ארבל ארצי-שנירמן. במחקר שותפים גם רופאי ילדים ואף אוזן גרון ובהם ד”ר לירון בורנשטיין, חברת סגל בפקולטה לרפואה ע״ש רפפורט בטכניון ורופאה בכירה במחלקה לטיפול נמרץ ילודים ופגים בקריה הרפואית רמב”ם.

המחקר נעשה באמצעות מודל תלת-ממדי של דרכי האוויר העליונות – קנה הנשימה והסימפונות המתפצלות ממנו. בתוך מודל זה גידלו החוקרים שכבה של תאי אפיתל – התאים המכסים גם את מערכת הנשימה הטבעית – כדי לעקוב אחר השפעת ההנשמה עליהם.

ד”ר ארבל ארצי-שנירמן

“כיום אנחנו כבר יודעים שהנשמה מלאכותית, שהיא טכנולוגיה מצילת חיים, גורמת נזקים שונים למערכת הנשימה,” מסביר פרופ’ שניטמן. “נזקים אלה יוחסו עד כה לגורמים מכניים כמו כניסת האוויר בלחץ שגורם למתיחת רקמת הריאה. בשנים האחרונות התווספו תובנות על מקורות נזק מורכבים יותר. במחקר הנוכחי הדגמנו בניסויי מבחנה (In vitro) על ידי מדידת ציטוקינים המפעילים את מערכת החיסון, את התחלת התהליך הדלקתי – תהליך הנמצא בבסיס הנזק הריאתי בפגים מונשמים הנובע מזרימת האוויר וכוחות הגזירה בזמן ההנשמה.

במחקר הקודם גילו חוקרי הטכניון, כאמור, כי סילון האוויר מפעיל כוחות גזירה חזקים על רקמת האפיתל; כעת הם גילו כי הסילון גורם לשינוי במאזן הציטוקינים – חלבונים המהווים את הבסיס לתקשורת בין תאי מערכת החיסון. במילים אחרות, מעבר לנזקים המכניים – שחיקת האפיתל – גורמת ההנשמה הפולשנית גם להפעלת תגובה חיסונית וזו עלולה להוביל להתפתחויות דלקתיות מזיקות ואף מסכנות-חיים.

בהמשך לגילויים אלה בחנו החוקרים אפשרות לצמצם את הנזק האמור באמצעות טיפול תרופתי, ובסיוע עמיתיהם הרופאים בחרו בתרופה נפוצה בשם מונטֶלוּקאסט (Montelukast), המשמשת לטיפול בחולי אסתמה. ואכן, במודל התלת-ממדי הם גילו כי טיפול מקדים במונטלוקאסט ממתן את תמותת תאי האפיתל ואת התגובה החיסונית בזמן ההנשמה.

פרופ’ שניטמן מעריך כי שימוש במודלים מהסוג שמפתחים במעבדתו עשוי לשפר את הניסויים הפרה-קליניים הנערכים במעבדות (in vitro pre-clinical studies). “אם המחקר הפרה-קליני במעבדות יהיה יעיל ומדויק יותר נוכל להגיע לשלב הבא –  ניסויים פרה-קליניים בבעלי חיים – כשאנחנו הרבה יותר ממוקדים. כך נוכל לא רק להאיץ את המחקר אלא גם לצמצם את הפגיעה בחיות ניסוי.”

כאמור, זהו המחקר הראשון המדגים במודל שפותח במעבדה את השפעת סילון אויר בהנשמה מלאכותית על מערכת החיסון. מחקר זה מציע כלי חדש לבחינה במחקרים קליניים בחיפוש אחר פתרון שעשוי לבטל או לפחות למתן את הנזק הדלקתי. פרופ’ שניטמן מעריך כי ממצאים אלה עשויים להועיל, מעבר לטיפול בפגים, גם בהקשרים אחרים כגון טיפול בחולי מחלות ריאה אחרות הדורשות הנשמה מלאכותית, למשל COPD וקורונה.

המחקר נתמך על ידי הנציבות האירופית למחקר (ERC).

פרופ’ ג’וזואה שניטמן הוא חבר סגל בפקולטה להנדסה ביו-רפואית, ועומד בראש המעבדה לביו-זורמים. המעבדה עוסקת בחקר האווירונדינמיקה של תרופות וחלקיקים במערכת הנשימה. פרופ’ שניטמן פיתח מודל של “ריאה על שבב” (acinus-on-chip) המאפשרת להעריך סיכונים בריאותיים שונים ולתכנן תרופות למערכת הנשימה.
ד״ר אלירם נוף התמנה לפני חודשים ספורים לחוקר במרכז הסרטן ממוריאל סלואן קטרינג בניו יורק.
ד״ר ארבל ארצי–שנירמן התמתנה לאחרונה לראש המרכז לטכנולוגיות מתקדמות ליישום רפואי בקריה הרפואית רמב”ם, חיפה.

בסרטון: הדמית סילון האוויר בתוך דרכי הנשימה במצבי הנשמה שונים. ההדמיה מבוססת על PIV – שיטה ניסויית למדידת שדות זרימה:

למאמר בכתב העת Bioengineering & Translational Medicine  לחצו כאן

מימין לשמאל: נועם ובר, סשה חלפין וד”ר יהונדב בקנשטיין. קרדיט: רמי שלוש, דוברות הטכניון

כאשר אנחנו נשרטים או נפצעים באופן שטחי, גופנו יודע לרפא את הפצע בעצמו, או לכל היותר עם עזרה מינימלית של פלסטר או חומר חיטוי. קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם פועלות לפיתוחם של חומרים בעלי תכונות דומות, שיידעו לתקן את עצמם ללא עזרה חיצונית. כולנו יודעים כמה מתסכל לגלות שמסך הטלפון נשבר ועלינו להחליפו, ויש כמובן צרות גדולות יותר – למשל תקלה בלוחות סולאריים המניעים לוויין בחלל. כעת תארו לעצמכם שהמסך שלכם והלוח הסולארי בחלל יידעו לתקן את עצמם ולשוב לתפקוד מלא. באתגר הזה עוסקות קבוצות מחקר רבות ברחבי העולם: פיתוח חומרים בעלי יכולת ריפוי עצמי (Self-Healing Materials).

בשורה חיובית בהקשר זה מגיעה כעת מקבוצת המחקר של ד”ר יהונדב בקנשטיין מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים ומהמכון למצב מוצק בטכניון. ד”ר בקנשטיין והדוקטורנטים סשה חלפין ונועם בר פיתחו גבישים ננומטריים מוליכים למחצה, ידידותיים לסביבה, היודעים לרפא את עצמם. במאמר בכתב העת Advanced Functional Materials הם מראים כיצד חומרים המכונים “פרובסקיטים כפולים” מתקנים פגמים הנוצרים בהם בעקבות חשיפה לקרינת אלקטרונים חודרת.

חומרים פרובסקיטים מוכרים למדע כבר יותר ממאה שנה, אך רק בשנים האחרונות התברר כי קבוצת פרובסקטים האלידיים מבוססי עופרת מאופיינים בתכונות אלקטרואופטיות ייחודיות המקנות להם יתרון עצום על פני סיליקון, למשל נצילות גבוהה בהמרת אנרגיית שמש לחשמל. הפרובסקיט זול לייצור משום שהוא מיוצר ומעובד בטמפרטורות נמוכות יחסית לסיליקון, ואפשר ליצור ממנו יריעות גמישות שסוללות דרך למגוון רחב של יישומים. לפרובסקיטים כפולים יתרון סביבתי, שכן הם עשויים לייתר את השימוש בעופרת, שהיא מתכת רעילה מאוד, המשולבת כיום בהתקנים פרובסקיטים להמרת אנרגיה.

קבוצת המחקר של ד”ר בקנשטיין מתמחה בגידול גבישי פרובסקיט ננומטריים וביצירה של משטחי פרובסקיט בעלי תכונות פיזיקליות מיוחדות. במחקר המתואר ב- Advanced Functional Materials ייצרו חוקרי הטכניון גבישים ננומטריים בתהליך קצר ופשוט באוויר הפתוח, תוך חימום החומר ל-100 מעלות צלזיוס. החוקרים עקבו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר אחר הגבישים וגילו כי קרן האלקטרונים העוצמתית של המיקרוסקופ יצרה בהם פגמים בדמות חללים פנימיים זעירים.

היווצרות החור על פני השטח של החלקיק ותנועתו פנימה לתוך החלקיק. התמונה והסרטון מבוססים על עיבוד ממוחשב של צילומים שנעשו במיקרוסקופ אלקטרונים חודר.(Bekenstein lab)

החוקרים ראו כי החללים האמורים נעים בסביבות מרכז החלקיק אך נמנעים מלנטוש את המרכז לעבר קצותיו, כאילו חומה נסתרת חוסמת את דרכם החוצה. על סמך צילום עשרות סרטוני וידאו וניתוחם הממוחשב הצליחו החוקרים לייצר תמונה של הדינמיקה המתקיימת בגביש בזמן אמת. הם גילו כי החללים האמורים נוצרים על פני השטח של הגביש, כאשר קרן האלקטרונים מעיפה אטומים מהחומר, אולם לאחר היווצרותם הם נודדים אל נקודות שיווי משקל בתוך הגביש. נדידה זו, מסבירים החוקרים, נובעת מסיבות אנרגטיות הקשורות בנוכחותן של מולקולות אורגניות המכסות את פני השטח של הגביש. כאשר הם סילקו את אותן מולקולות נדדו החללים אל פני השטח של הגביש, והאזור הפנימי של הגביש התגבש חזרה באופן ספונטני למצבו הראשוני, נטול הפגמים.

במילים אחרות: הגביש ריפא את עצמו.

תגלית זו מהווה צעד חשוב בהבנת המנגנונים המאפשרים לננו-חלקיקים פרובסקיטים לרפא את עצמם וסוללת את הדרך לשילובם של חומרים אלה בתאים סולאריים ובהתקנים אלקטרונים אחרים.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, רשות החדשנות הישראלית, ות”ת (מלגת אלון), מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון ומרכז הקוונטום ע”ש הלן דילר בטכניון.

למאמר בכתב העת Advanced Functional Materials לחצו כאן

מחקר חדש של מכון המחקר והחדשנות של מכבי KSM בראשות ד”ר טל פטלון והטכניון מראה כי האפקטיביות של מנת הבוסטר בהורדת העומס הנגיפי דועכת תוך חודשים. במחקרים קודמים נמצא כי העומס נגיפי קשור ככל הנראה לסיכוייו של נדבק להדביק אחרים, כך שככל שהעומס הנגיפי נמוך יותר, עולים סיכויי ההדבקה.

פרופ’ רועי קישוני

לדברי ד”ר טל פטלון, מנהלת מכון המחקר והחדשנות של מכבי “לאור התפשטות זן האומיקרון מומלץ מאד לאוכלוסיות בסיכון לוודא כי הן פועלות על פי המלצות מערכת הבריאות״, אומרת ד”ר טל פטלון. ״עלינו, החוקרים ואנשי מערכת הבריאות, להמשיך לעקוב אחר התפשטות המחלה, השלכותיה לטווח הקצר והארוך, והאמצעים לנהל אותה בחכמה״.

לדברי פרופ’ רועי קישוני מהפקולטה לביולוגיה בטכניון ״במחקרים קודמים ראינו שהחיסון והבוסטר לא רק מקטינים את הסיכוי למחלה אלא מצמצמים גם את העומס הנגיפי בגופו של מי שנדבק, ובכך ככל הנראה מצמצמים הידבקויות נוספות באוכלוסייה. עם זאת, בעבודה הנוכחית ראינו שהגנה זו של החיסון מפני עומס נגיפי גבוה דועכת תוך חודשים ספורים לאחר הבוסטר, בדומה לירידה שראינו לאחר המנה השנייה. תוצאות אלה רומזות על ירידה משמעותית ביעילות החיסון כנגד העברת הנגיף, וייתכן שירידה זו משפיעה על התפשטות הווירוס בקהילה.״

מתן לוין-טיפנברון

ד”ר עידן ילין

זהו מחקר שישי בנושא הקורונה במסגרת העבודה המשותפת בין החוקרים. המחקר הובל על-ידי ד”ר טל פטלון וד”ר סיון גזית ממכון המחקר והחדשנות במכבי בשיתוף פעולה עם פרופ’ קישוני, מתן לוין-טיפנברון וד”ר עידן ילין מהמרכז הבין תחומי למדעי החיים וההנדסה ע”ש לורי לוקיי בפקולטה לביולוגיה בטכניון.

המחקר נערך על נתונים מותממים (אנונימיים- ללא פרטי זיהוי) באישור ועדת הלסינקי וכלל מעל ל-21,000 בדיקות חיוביות של חברי מכבי מעל גיל 20. התקופה שנחקרה היתה בין ה-28 ביוני ל-29 בנובמבר 2021, חמישה חודשים במהלכם היה זן הדלתא הזן הדומיננטי בישראל, טרם תחילת התפשטות האומיקרון.

החוקרים מציינים כי למחקר כמה מגבלות. ראשית, המחקר מתייחס אך ורק לאפקט של הבוסטר על העומס הנגיפי ואינו בוחן יעילות במניעת מחלה; כלומר הוא לא קובע כי ההגנה מפני הידבקות דועכת במידה דומה. שנית, אף שעומס ויראלי הוא אינדיקציה נפוצה לנוכחות הנגיף, המתאם בין עומס ויראלי ליכולת הדבקה אינו מבוסס במלואו. שלישית, הבדלים בהתנהגות הציבור עשויים להשפיע על העיתוי שבו אנשים נבדקים, ומכיוון שעומס נגיפי קשור לזמן שלאחר ההדבקה, הבדלים כאלה עשויים להטות את תוצאות המחקר. החוקרים מתכננים להמשיך ולעקוב אחרי נתוני העולם האמיתי ( (Real world data ולבצע מחקרי המשך באוכלוסיות שונות.

לקריאת המאמר המלא – לחצו כאן

פרופ’ נעם אדיר

החוקרים מציגים בכתב העת Biosensors and Bioelectronics שיטה חדשה לייצור חשמל ישירות מאצות ים. השיטה פותחה בשיתוף פעולה בין תוכנית האנרגיה והפקולטות לכימיה, לביולוגיה ולהנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון וחברת חקר ימים ואגמים לישראל (חיא”ל).

השימוש המסורתי בדלקי מאובנים כרוך בזיהום סביבתי רב ותורם לתופעות אקלימיות חריגות שאנו עדים להם ואשר מדאיגים את העולם כולו. יתר על כן – גם תהליך ייצורם של דלקים אלה מזיק לסביבה. זה הרקע לפיתוחן של טכנולוגיות חדשות לייצור אנרגיה מתחדשת וידידותית לסביבה.

אחת הגישות המבטיחות, שמעסיקה קבוצות מחקר רבות כבר עשרות שנים, היא שימוש בתאי דלק מיקרוביאליים. תאים אלה מתבססים על יכולתם של חיידקים מסוימים לפלוט אלקטרונים; הצבתן של מושבות חיידקים כאלה בקרבת אלקטרודה בתא מאפשרת לייצר חשמל. לשיטה זו שני חסרונות בולטים: העלות הכלכלית והסכנה הבריאותית שכרוכות בגידול כמויות גדולות של חיידקים בתוך התאים האלקטרוכימיים.

בעקבות זאת נולדה טכנולוגיה אחרת: תאים ביו-פוטו אלקטרוכימיים. גם כאן, בדומה לתאי הדלק המיקרוביאליים, המקור ליצירת החשמל בשיטה זו הוא חיידקים, אלא שהפעם מדובר בציאנובקטריה (הידועות גם כאצות כחוליות): חיידקים המסוגלים לבצע פוטוסינתזה כמו צמחים. עם זאת, לציאנובקטריה מגבלות משלהן: ראשית, בניגוד לתאים מיקרוביאליים, ציאנובקטריה אינן מייצרות אלקטרונים בחשיכה, שכן תהליך הפוטוסינתזה מתרחש רק בנוכחות אור. שנית, כדי לייצר כמות חשמל משמעותית, המתחרה בטכנולוגיות כגון תאים סולריים או תאי דלק מבוססי מימן, נדרשת כמות עצומה של ציאנובקטריה, כלומר שטחים גדולים ויקרים.

יניב שלוסברג

במחקר הנוכחי מציגה קבוצת חוקרים משלוש פקולטות בטכניון ומחיא”ל ייצור חשמל ממקור ימי אחר: אצות ים (seaweeds). את המחקר הובילו פרופ’ נעם אדיר והדוקטורנט יניב שלוסברג מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון, בשיתוף פעולה עם עמיתיהם ד”ר טונדה טות מהפקולטה לכימיה; פרופ’ גדי שוסטר, ד”ר דוד מאירי, המשתלמים נמרוד קרופניק ובנימין איישנבאום מהפקולטה לביולוגיה; ד”ר עומר יחזקאלי והמשתלם מתן מאירוביץ’ מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון; וד”ר אלוארו ישראל מחיא”ל בחיפה.

הפיתוח הראשוני של השיטה הניב זרם חשמל גדול פי אלף ויותר מזה שהופק מציאנובקטריה – רמה המתקרבת לזרמים המיוצרים בתאים סולריים. לדברי פרופ’ אדיר, היעילות הגבוהה נובעת משני גורמים עיקריים: קצב הפוטוסינתזה המהיר של אצות הים, ובראשן האצה הים תיכונית הירוקה הנקראת Ulva, והמליחות הגבוהה של מי-הים המתפקדת ביעילות כאלקטרוליט – הנוזל המוליך בתא האלקטרוכימי. מלבד זאת, בניגוד לתאים אלקטרוכימיים המבוססים על ציאנובקטריה, אצות הים מסוגלות לייצר חשמל ביום וגם בלילה; בשעות האור מתקבלת האנרגיה בעיקר מתהליך הפוטוסינתזה, ואילו בשעות החושך היא מגיעה ממולקולות שהאצה מפרישה שמקורם בתהליך הנשימה. מולקולות אלה, הקרויות “מתווכות אלקטרונים”, מוסרות אלקטרונים לאלקטרודה של התא הביו-אלקטרוכימי ליצירת חשמל.

פרופ’ גדי שוסטר

לשימוש באצות ים לייצור חשמל יתרונות רבים. הן גדלות במהירות ואפשר לגדל אותן בים או במתקנים ביבשה, כמעט ללא צורך במים מתוקים ובאדמות חקלאיות.

שיטות לייצור אנרגיה נחלקות לשתי קטגוריות כלליות: המזהמות ביותר הן טכנולוגיות Carbon positive, הכרוכות בתהליכי שריפה ופליטת פחמן, פוגעות באטמוספרה ותורמות להתחממות הגלובלית; וטכנולוגיות Carbon neutral, למשל תאים סולריים, שפעילותן אינה כרוכה בפליטת פחמן (אם כי הייצור והשינוע שלהן אכן מזהמים).

השיטה החדשה שמציגים חוקרי הטכניון מייסדת למעשה קטגוריה חדשה: Carbon negative. לא זו בלבד שהיא אינה כרוכה בפליטת פחמן; בתהליך הפוטוסינתזה נספג פחמן ונפלט חמצן – תהליך התורם לאטמוספרה. מלבד זאת, השימוש באצות לייצור חשמל בדרך זו אינו פוגע בקצב גידול האצה ולכן מאפשר שימוש מקביל בה לצרכים אחרים בתעשיות המזון, הרפואה והקוסמטיקה.

ד”ר אלוארו ישראל

“מרתק לגלות כיצד צץ רעיון מדעי,” אומר הדוקטורנט יניב שלוסברג, שהגה את הקונספט המקורי. “הפילוסוף המפורסם ארכימדס הגה את מה שנקרא כיום ‘חוק ארכימדס’ בבית המרחץ, ואצלי זה קרה כששחיתי בים, בתקופה שבה חקרתי את האפשרות של ייצור חשמל בשימוש בציאנובקטריה. על אחד הסלעים ראיתי פתאום אצה שהזכירה לי חוט חשמל, אז אמרתי לעצמי – הרי גם האצה מבצעת פוטוסינתזה, אולי נוכל לייצר ממנה חשמל. הפיתוח שנולד מאותו רעיון, בעבודה משותפת של חוקרים מקבוצות שונות בטכניון ומחיא”ל, הוביל כעת למאמר מדעי ואני מאמין שהוא צפוי לחולל מהפכה טכנולוגית משמעותית בשוק האנרגיה.”

חוקרי הטכניון בנו אבטיפוס ראשוני של תא אלקטרוכימי המציג את הטכנולוגיה האמורה. לדברי פרופ’ אדיר, “באמצעות האבטיפוס הדגמנו הפקת כמויות חשמל משמעותיות ישירות מאצות ים. אנו מאמינים כי שכלולים נוספים של השיטה יגבירו עוד את ייצור הזרם החשמלי ויסללו לראשונה את הדרך לפיתוח פתרונות עתידיים לייצור אנרגיה ירוקה בתאים ביו-אלקטרוכימיים.”

למאמר בכתב העת  Biosensors and Bioelectronics   לחצו כאן