שימוש Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) לפתח כלים לאבחון

אני U De Mercy, החוקר הראשי של מעבדות Bio Stick MAMs in Medicine. עשיתי את הדוקטורט שלי באוניברסיטת סטנפורד בהנדסת חשמל. ביצעתי פוסט-דוקטורט בבית הספר לרפואה של הרווארד ב-MGH, שם עסקתי ב-bio acoustic MAMs או בעיקר ב-bio MAs.

כעת אני ממשיך כחבר סגל בבית הספר לרפואה של הרווארד בתוכנית למדעי הבריאות וטכנולוגיה של הרווארד ו-MIT, וממשיך במחקרי שמהם אני נהנה מאוד. העבודה שביצעתי במהלך הדוקטורט שלי הייתה קשורה מאוד לטיפות ולשימוש באקוסטיקה כדי לייצר טיפות בגודל מדויק ולשלוט במיקומן ובמיקודן לצורך השקעת פולימרים רגישים מאוד.

כעת אנו מיישמים טכנולוגיות דומות כדי לכ lול תאים בטיפות ולאחר מכן למקם אותם על משטחים עבור יישומים שונים בהנדסת רקמות, במטרה להדפיס תאים על המשטחים כדי ליצור דפוסי תאים. כמו כן, קיימים יישומים שבהם תרצו לבדוק שניתן לכלול מספר קטן של תאים, תא בודד או תאים מאותה אוכלוסייה, ובכך לבחון את ההבדלים בין תאים שונים מאותה אוכלוסייה; במקרים אלו, היכולת לכלול תאים בטיפות בקצבי תפוקה גבוהים, בסדר גודל של 10,000 תאים לשנייה, הופכת לחשובה מאוד ומועילה להבנת בעיות ביולוגיות. לכן, למחקר שלי כיום יש, הייתי אומר, שני נדבכים.

אחת מהן היא עבודת כימוס התאים עליה דיברתי הרגע. כיצד אנו אורזים תא בטיפה, וכיצד ניתן לעשות זאת באופן חוזר, אמין וללא פגיעה בתאים? לאחר שהתא נפלט או נסגר בתוך הטיפה, עלינו להיות מסוגלים למקם אותו במדויק על פני שטח, כאשר התא צריך להיות תפקודי, חי ובעל יכולת שרידה.

הוא לא אמור להיפגע מהשפעות ההזרקה וכדומה. לכן, נכון לעכשיו יש לנו מערכת שבה אנו משתמשים בגלים אקוסטיים למיקוד טיפות כדי לייצר טיפות אלו ממאגרי נוזלים פתוחים, שבהם אנו יכולים לבצע אנקפסולציה עד לרמה של תאים בודדים בתוך טיפות קטנות מאוד שגודלן דומה לגודל התא. זהו הישג מרגש מאוד מבחינת יישום של שיטה זו בהדפסת תאים ובהנדסת רקמות.

הצד השני של המחקר שלי עוסק שוב בשימוש בטכנולוגיות MAMs (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) לפיתוח כלי אבחון בעלות נמוכה. מחקר זה משתמש בעיקר בגישות של מיקרופלואידיקה, שבאמצעותן ניתן להחדיר דם מלא, בנפחים קטנים מאוד כגון דם מדגימה של דקירה באצבע, פחות מ-10 microliters, אותם ניתן להחדיר לשבב. מדם זה ניתן לבצע אנקפסולציה או ללכוד אוכלוסיות תת-תאיות מסוימות מתוך הדם המלא.

מדוע זה חשוב? מדוע זה צריך להיות זול עבור יישומים של בריאות עולמית? על פסגת הר באפריקה, תרצו להיות מסוגלים לקבוע עבור חולה HIV, למשל, כמה לימפוציטים מסוג CD4 T יש למטופל זה. מכיוון שארגון הבריאות העולמי קובע כי מתחת ל-200 תאי CD4 ל-µL, יש להתחיל בטיפול בחולים. בעולם המפותח, משתמשים בציטומטרים עם זרימה (flow cytometers) בשווי מאות אלפי דולרים כדי להשיג נתונים אלו.

וכמובן שנדרש זמן כדי להשתמש במכונות אלו, שגודלן כשלחון ענק, וכן מיומנות כדי להיות מסוגל לתפעל אותן. השבב הקטן שלנו מאפשר להחדיר כמות קטנה, בדומה ללבנה של אצבע, של 10 µL של דם מלא, והוא ילכוד את תאי ה-CD4 באמצעות זיקה של חלבוני פני השטח. לאחר מכן ניתן לספור במהירות את התאים שנלכדו, מכיוון שידוע כי אלו הם תאי CD4 שנקשרו לנוגדני CD4 הנמצאים על פני השבב.

על ידי בקרת קצבי הזרימה ומסחור השכבה (shear), ניתן להבטיח שהספציפיות והיעילות עבור סוגי תאים אלה יהיו אופטימליות. וכמובן שתמיד קיימת קישוריות לא ספציפית, אך באמצעות גישות ה-shear שלנו אנו ממזערים השפעות אלו ומבטיחים שביניהן יהיו שגיאות של פלוס מינוס 10%, דבר המספיק כדי לקבל החלטה דיאגנוסטית או פרוגנוסטית בראש הרים באפריקה. לכן, לכך יש יישומים מעניינים עבור בריאות עולמית, וכמו כן לטכניקות בעלות נמוכה אלו, שהן חד-פעמיות, יכולה להיות השפעה על העולם המפותח, כיוון שכעת בדיקות דם מהירות אלו, שהן בעלות נמוכה מאוד, יכולות להשפיע על הבדיקות שבהן אנו משתמשים בעולם המפותח.

אם הם יופתחו לרמות גבוהות יותר של יעילות וספציפיות, כפי שמראים הנתונים הראשוניים שלנו שהם מסוגלים, הרי שזה בהחלט ישפיע על חיינו. כשסיימתי את הדוקטורט שלי, ידעתי יותר על מיקרופלואידיקה ועל MAMs מאשר על כל דבר אחר שראיתי; במיוחד עם יישום הטיפות, יכולתי לראות שאם אוכל להדפיס תאים, לאנקפסולציה של תאים או לתמרן מספר קטן של תאים, תאים בודדים, יהיו לכך יישומים נרחבים בתחום הביוטכנולוגיה. והיה לי עניין רב לעבוד על דברים שישפיעו בפועל על חיי אנשים.

בעבר יישמתי את הטכנולוגיות הללו בתעשיית המוליכים למחצה, אך לאחר מכן רציתי להועיל לאנשים באופן ישיר. זה מה שהפנה אותי לבעיות בתחום הבריאות. זו הסיבה שעשיתי שינוי משמעותי והגעתי לבית החולים Mass General Hospital כדי לבצע את הפוסט-דוקטורט.

ושם, אתם יודעים, נחשפתי יותר ויותר לבעיות ונראה, וזה ברור לחלוטין, שאחת הבעיות הגדולות ביותר של העולם כיום היא בריאות עולמית, ושם מגיעות מחלות כמו tuberculosis ו-HIV שהורגות אלפי אנשים ביום. ואנשים אלו מתים לא בגלל שהתרופות אינן קיימות, אלא בגלל שאין מספיק כלים לאבחון, שהם הרבה יותר יקרים מהתרופות הקיימות. לכן אני מכיר היטב את הצד הטכנולוגי של הדברים.

הבנתי, נחשפתי לבעיות ביולוגיות וככל שלמדתי עליהן יותר, כך יכולתי לראות שאני מסוגל להשפיע. וכך הכל התפתח משם. וזה עדיין נמשך כעת.

כפי שראיתי, בביוטכנולוגיה וברפואה ישנן בעיות רבות שגורמות באופן ישיר לאובדן חיי אדם, וההיבט הטכנולוגי והיכולת ליישם אותו על בעיות רפואיות בעולם האמיתי הם, לדעתי, נתיב נכון להליכה. כך, לדעתי, תחום הביוטכנולוגיה כולו צומח והופך למשפיע מאוד. אם חושבים על כך, HIV וסרטן הם גורמי מוות משמעותיים בעולם.

כיום, טכנולוגיות מיקרו וגישות עכשוויות עשויות להפיק תועלת מזיהוי מוקדם של סרטן באמצעות לכידת תאים אלו מהדם, או על ידי הפיכת התהליך לזול במיוחד, מה שיהפוך אותו לנגיש להמונים. לכן, השילוב של כל הגורמים הללו, לדעתי, יאפשר ליישומים של טכנולוגיית מיקרו בבריאות וברפואה להשפיע על עתיד בני האדם. כך, אני מניח, כל הדברים הללו מתחברים יחד.

והשהייה בתוכנית למדעי הבריאות וטכנולוגיה של הרווארד וה-MIT, שבה בצד אחד נמצאת הטכנולוגיה ובצד השני גישה ישירה למטופלים וגישה ישירה לרופאים בבית החולים Brigham and Women's שבו אני עובד, היא סביבה נהדרת. שכן כל אדם שאתה מדבר איתו סובל מבעיות מסוימות, ואתה, אולי מכיוון שאתה מגיע מרקע שונה, יכול לספק פתרונות מעניינים לבעיות קיימות אלו מהעולם האמיתי. כך, אני חושב, אני תופס את הפרספקטיבה השלמה של האופן שבו בעיות רפואיות אלו פוגשות את הצד הטכנולוגי.

ואנו מנסים להשפיע על חיי אנשים באופן חיובי. בכיסוי תאים בודדים (single cell encapsulation) או בכיסוי תאים, האתגר המרכזי הוא היכולת לבצע כיסוי של תאים בודדים באופן אמין וחזרתי. כך שאתם פולטים 10,000 עד 100,000 תאים בשנייה.

וכיצד ניתן להבטיח שכל טיפה שמוזרקת מכילה תא בודד? נתונים סטטיסטיים אלו, שבהם משנים את גודל הטיפה וממזערים, או מייעלים, את גודל התא ביחס לגודל הטיפה, מובילים לבעיה הישנה של אריזת כדורים בנפח ומהי הדרך היעילה ביותר לעשות זאת. לכן, זהו האתגר הגדול ביותר בתחום הדפסת התאים מהצד הטכנולוגי.

ההיבט השני של העניין הוא שכעת ניתן להדפיס ולמקום תאים אלו בדיוק רב. כיצד ניתן לייצר רקמות תלת-ממדיות אלו, כיצד ניתן לשמור עליהן בחיים וכיצד ניתן להשתיל אותן? כאן נכנסים הפתרונות הביולוגיים לבעיות, כאשר השאיפה היא לחקות כעת את הרקמה באופן מדויק.

ישנן גישות נוכחיות המאפשרות להדפיס איים של לבלב, ולהדפיס באמצעות תאי שריר חלק רקמת שלפוחית שתן, המדמה ישירות את מה שקיים בשלפוחית שתן אנושית, כך שנוכל ליצור רקמה זו ולבדוק עד כמה היא מתפקדת בהשוואה לרקמות טבעיות קיימות בעולם האמיתי. לכן, זהו האתגר המרכזי, לדעתי: באמצעות שימוש בטכנולוגיות חדשניות אלו, כיצד ניתן ליצור את הרקמה האידיאלית שניתן להחליף או להשתיל? זוהי הבעיה הגדולה ביותר מההתחלה, שכן השליטה בתא בודד מעניקה את היכולת למקם אותם במדויק. ואז, כיצד ניתן לגדל את הרקמה מהנקודה הזו?

אם כן, זהו משהו שניתן להשתיל שם, במקום שבו יש השפעה על חיי אדם. לכן, בהקשר זה, אלו הם האתגרים בהיבט של הנדסת הרקמות, בעטיפה פולימרית ובאבחון באמצעות מיקרופלואידיקה; האתגר הוא היכולת ללכוד תא אחד מתוך מיליארדי תאים. זה דומה למצב שבו יש לך גביש סוכר בתוך קופסת מלח ואתה מנסה לשלוף את גביש הסוכר הזה, וזהו סיכוי של אחד למיליארד.

כך שאתם מעבדים מיקרוליטרים עד מיליליטרים של דם מלא, ואתם רוצים להיות מסוגלים לבודד באופן ספציפי ויעיל, ללא בעיות טכנולוגיות כמו סתימות או בעיות ביולוגיות כמו קישור לא-ספציפי, תא אחד מתוך מיליארד תאים במיקרוליטר אחד של דם מלא, שבו ישנם כמה מיליוני תאים. ובמקרה של לימפוציטים T מסוג CD4 באותו מיקרוליטר, אנחנו מחפשים כאלף תאים למיקרוליטר. כך שמדובר בבעיה של סוג של תא אחד מתוך אלף, שהראינו שניתן לבצע אותה.

אך כאשר רוצים לאתר תאי גידול במחזור הדם למטרת אבחון סרטן, האתגר הופך להיות אחד למיליארד. לסיכום, האתגר הוא כיצד נלכוד תא בודד זה מתוך מיליארדי תאים אחרים שסביבו? ומהם ההיבטים הטכנולוגיים?

מהם קצבי הזרימה? מהו תכנון המכשיר? מה, מהם קצבי הזרימה?

מהם נפחי הדם שיש לעבד, וכיצד ניתן לוודא שהתאים שנלכדו הם אכן התאים שרציתם ללכוד? כל ההיבטים הללו היוו את האתגר השלם שניתן לסכם במשפט אחד: כיצד ללכוד תא נדיר אחד מתוך מיליארדי תאים אחרים? זוהי למעשה בעיה מסוג "מחט בערימת שחת", וזה מה שהופך אותה למרתקת.

ואני חושב שקידום הטכנולוגיות כדי לטפל בבעיות הללו הוא האתגר הטכנולוגי הנוכחי. היכולת להביא אותן לרמה שבה הן מבצעות את התפקיד שהן אמורות לבצע היא דבר אחד. אך העברתן לקליניקה והפיכתן למוצר דורשת מומחיות שונה לחלוטין, כגון היכולת להקים חברה, היכולת לרשום פטנטים על הדברים הללו, וכל ההיבטים האחרים הללו נכנסים לתמונה.

ואני חושב שאנחנו כמדענים, בעיקר, לא מחזיקים בכל המיומנויות הנדרשות כדי להפוך פיתוחים משולחן העבודה למוצרים. כאן שוב עולה החשיבות של שיתופי פעולה עם אנשים בעלי רקע שונה. ישנן טכנולוגיות רבות שקיימות כיום, שלדעתי יכולות להיות בעלות השפעה רבה ומועילות מאוד.

לעיתים הן אינן מגיעות לקליניקה או לשימוש אנושי, פשוט כי זה לא קרה, זה לא היה הזמן הנכון, או כי השפיעו גורמים אחרים שדיברתי עליהם כעת. לעיתים אין קשר ישיר שמאפשר לראות שהטכנולוגיה אכן יכולה לפתור את הבעיה. והאדם המתמודד עם הבעיה, או נניח הביולוגים או אנשי הרפואה, רגילים לבצע זאת בדרך אחת במשך שנים רבות.

והאנשים מהצד הטכנולוגי, בעיקר אם אינם מתמקדים בביוטכנולוגיה, אינם מודעים לבעיות הרפואיות. לכן, חיבור שני הצדדים הללו מהווה מחקר בינ-תחומי רציני. ואני חושב שבשנים האחרונות, כל הדגש, הן ברמת ה-NIH והן במה שאנו רואים במעבדות מחקר ובאוניברסיטאות, הוא על יצירת מחקר בינ-תחומי.

כך אנשים מסיימים דוקטורט שבו עליהם להכיר מספר תחומים. לדוגמה, עבור הדוקטורט שלי, הייתי צריך להכיר אקוסטיקה, MEMS, מיקרופלואידיקה, והייתי צריך ליישם זאת על פולימרים. כך שכעת אתם רואים מעין עומק ידע בתחום אחד, כאשר למעשה היה עלי להכיר היטב שלושה תחומים אחרים כדי להיות מסוגל לפתור את הבעיה ההיא.

לכן אני סבור שהתשובה טמונה במחקר בינתחומי בשילוב עם אנשים בעלי מיומנויות עסקיות כדי להפוך זאת לזמין לשימוש הציבור; זהו תהליך רחב הכולל מספר אי-יעילויות המתרחשות בנקודות מסוימות, מה שגורם לאחוז הנמוך של העברה טכנולוגית.