הפיזיקה המפתיעה של תאי שבלול האוזן

האוזן של יונק מורכבת משלושה חלקים: האוזן החיצונית, התיכונה והפנימית. בתוך האוזן הפנימית נמצא השבלול, מבנה ספיראלי שלאורכו משובצים תאי שערה - תאים שעליהם שערות זעירות, המשמשות כחיישנים לגלי הקול המגיעים לאוזן. בתגובה לגלי הקול, השערות מתנודדות ומעבירות אותות חשמליים למוח, וכך אנו שומעים.

"תאי השערה מסודרים לאורך השבלול בצורה ייחודית: ארבע שורות מסודרות של תאי שערה ותאים תומכים לסירוגין. הסדר הקפדני הזה חשוב מכיוון שאזורים שונים לאורך השבלול אחראים לזיהוי צלילים שונים." מסביר פרופ' דוד שפרינצק מהפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז. "מערך כה מאורגן הוא יוצא דופן בגוף, ולמעשה זוהי הרקמה המסודרת ביותר בגופו של יונק. אנחנו חיפשנו את המנגנון שגורם לתאי השערה להסתדר בצורה זו במהלך ההתפתחות העוברית. לשם כך ערכנו מחקר רב-תחומי, ששילב בתוכו שני פיתוחים חדשניים: טכנולוגיית דימות חדשה וסימולציה באמצעות מודל מתמטי-פיזיקלי."

המחקר, בהובלת פרופ' שפרינצק, מומחה לביולוגיה התפתחותית מבית הספר לנוירוביולוגיה, ביוכימיה וביופיזיקה, חשף לראשונה מנגנון פיזיקלי המעורב בהתפתחות האוזן הפנימית בעוברים של יונקים. "זו הפעם הראשונה שהתגלה תהליך התפתחות ביולוגי, שמונע על ידי כוחות מכניים ודומה מאוד לתהליך פיזיקלי ידוע: התארגנות תאי השערה באוזן הפנימית דומה להתארגנות של אטומים היוצרים גביש. מדובר בממצא מהפכני שמשנה תפיסות יסוד בעולם הביולוגיה ההתפתחותית." אומר פרופ' שפרינצק.

במחקר הרב-תחומי השתתפו רועי כהן וליאת אמיר-זילברשטיין ממעבדתו של פרופ' שפרינצק, פרופ' קרן אברהם מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר וחוקרים נוספים מהפקולטה למדעים מדויקים ומבית הספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב. כמו כן השתתפו חוקרים משווייץ, מיפן ומדרום אפריקה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications באוקטובר 2020.

עושים סדר

כדי לעקוב אחר התפתחות מערך תאי השערה בעובר, ניתחו החוקרים עוברי עכברים בשלבים שונים של ההיריון. בעוברים הצעירים ביותר נמצאה שכבת תאים לא מסודרת וגם בלתי ממוינת – תאים ראשוניים שתפקידם עוד לא הוגדר. בהדרגה מתחילים התאים להתמיין לתאי שערה ותאים תומכים, ובהמשך הם מתארגנים, עד שנוצר המבנה הסופי והמסודר של תאי השערה בשבלול.

"עד היום, רוב המחקרים על התפתחות תאי השערה התמקדו בתהליכי ההתמיינות של התאים, שנשלטים על ידי תקשורת בין-תאית. אנחנו סברנו שלא די בכך, וביקשנו לבחון את השלב שלאחר ההתמיינות: איך התאים מתארגנים במרחב ויוצרים מבנה מסודר." מסביר פרופ' שפרינצק. לצורך זה פיתחו החוקרים טכנולוגיית דימות חדשה המסתמכת על תצפית במיקרוסקופ קונפוקלי, ומאפשרת מעקב רציף בתלת-מימד, 24 שעות ביממה, אחר התפתחות הרקמה – תהליך שנמשך ימים ספורים בעוברי עכברים. שיטת הדימות הייחודית אפשרה מעקב אחר התפתחות האוזן הפנימית ויצירת סרטונים של התהליך.

"זו הפעם הראשונה שהתהליך נצפה ברציפות וברזולוציה גבוהה. צפינו ברקמה שכבר התמיינה לתאי שערה ותאים תומכים, אך עדיין נותרה 'מבולגנת' – כלומר עוד לא התארגנה למערך מסודר. באמצעות השיטה שלנו ראינו שברקמה מתרחש תהליך פיזיקלי המכונה 'תהליך גזירה': תאים שכנים, המכונים 'תאי הנסן', נעים לכיוון אחד ומפעילים על תאי השערה כוחות גזירה - כוחות מכניים הפועלים במקביל לשכבת התאים. תהליך זה דוחס את הרקמה, גורם לשחלופים דינמיים בין תאי שערה ותאים תומכים, ובסופו של דבר מוביל להתארגנות התאים במערך מסודר.

כוחות פיזיקליים של גזירה ודחיסה מסדרים את התאים עד ליצירת מבנה השבלול

בשלב הבא הסתמכו החוקרים על ממצאיהם כדי ליצור סימולציה ממוחשבת - מודל מתמטי-פיזיקלי של התהליך. המודל העלה כי על תאי השערה בשלב ההתארגנות פועלים שני כוחות מכניים עיקריים: כוחות גזירה, הגורמים לדחיסה ולתזוזה של תאי השערה בתוך הרקמה, וכוחות דחייה בין תאי השערה, שמונעים מהם להתקרב יותר מדי זה לזה. "הופתענו לגלות שתהליך ההתארגנות של תאי השערה בשבלול דומה מאוד לתהליך פיזיקלי מוכר: התארגנות של אטומים במהלך יצירת גביש." אומר פרופ' שפרינצק. "כמו שאטומים יוצרים גביש מסודר כאשר מופעלים עליהם כוחות חיצוניים, כך גם תאי השערה והתאים התומכים מתארגנים לתבנית מסודרת בתגובה לכוחות מכניים המופעלים עליהם. מדובר בתפיסה חדשה לחלוטין בתחום הביולוגיה ההתפתחותית. התובנות שעולות מהמחקר שלנו מאירות כיוון חדש עבור מחקרים עתידיים, גם בנוגע לתהליכי ההתפתחות של איברים אחרים."

פרופ' שפרינצק מוסיף כי לממצאי המחקר יש גם משמעות רפואית: "תאי השערה נוצרים פעם אחת בעובר ואינם מתחדשים במהלך החיים. במקרים רבים, תופעות של ירידה בשמיעה ואף חירשות נובעות ממוות של תאי שערה באוזן הפנימית. בשנים האחרונות נעשים מאמצים רבים לאפשר תהליכי התחדשות של תאי שערה, במטרה לשפר את יכולת השמיעה של חירשים. המחקר שלנו עשוי לתרום תרומה חשובה להבנת התהליך לקראת יצירת התחדשות זו."