RESEARCH

סרטן המלנומה נחשב לחמור ולקטלני ביותר מבין סרטני העור הממאירים, וכ-200,000 מקרים חדשים שלו מתגלים מדי שנה בעולם. חשיבות הגילוי המוקדם קריטית להצלחת הטיפול ולהצלת חיי המטופל, אך נכון להיום נאלצים החולים להסיר תחילה את הנגע ולהמתין לתוצאות בדיקה פתולוגית שמאפשרת אבחון סופי. פיתוח טכנולוגי חדש צפוי לחולל מהפכה בתחום. צוות המעבדה של פרופ' אברהם קציר מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, פיתח טכנולוגיה אופטית חדישה שיכולה להבחין בין סוגי סרטן עור: מלנומה וסרטנים מסוכנים פחות. מדובר באבחון מהיר, בלתי פולשני ושאינו כרוך בכאב. הטכנולוגיה כבר נוסתה בהצלחה על כמאה מטופלים בבית חולים מרכזי בישראל, וכעת מתכננים החוקרים לאמת את השיטה במדידות על מאות חולים.

לצבוע את הסרטן

לדבריו של פרופ' קציר, במקרה של מלנומה, אבחון מיידי יכול להציל חיים. "כאשר מתגלה בבדיקה שגרתית על ידי רופא עור נגע חשוד, הוא מוסר בניתוח קטן ונשלח לבדיקה מעבדתית. פתולוג מאבחן את הנגע וקובע אם זו מלנומה. כאשר מזהים מלנומה מוקדם, כשהיא עדיין שטחית ועובייה קטן מ-1 מ"מ ומסירים אותה - אזי מרבית החולים מחלימים. אבחון מאוחר, כשעובי המלנומה גדול מ-1 מ"מ, מקטין בהרבה את סיכויי ההחלמה ומסכן חיים".

"המחשבה שהנחתה אותנו בפיתוח הטכנולוגיה הייתה שבתחום הנראה יש לחומרים שונים צבעים שונים, אבל בתחום האינפרא-אדום יש לחומרים שונים מעין "צבעים" אחרים, שתלויים בהרכב הכימי של כל חומר", מסביר פרופ' קציר. "על כן הערכנו שאם נערוך מדידות באמצעות מכשירים המסוגלים לזהות "צבעים" אלו, יהיו לעור בריא ולכל אחד מהנגעים השפירים והממאירים "צבעים" שונים, מה שיאפשר לנו לזהות מלנומה".

קבוצת המחקר של פרופ׳ קציר פיתחה סיבים אופטיים ייחודיים, השקופים לאינפרא-אדום. הקבוצה, בשיתוף הפיזיקאים פרופ' יוסף רייחלין מאוניברסיטת אריאל, ד"ר מקס פלטקוב מהקריה למחקר גרעיני וסבטלנה בסוב מקבוצת קציר, פיתחה מערכת המבוססת על סיבים אלו ואשר מתאימה לצרכי מדידות על עור. החוקרים חיברו קצה אחד של סיב כזה למכשיר למדידת "צבעים" באינפרא-אדום, והקצה השני נגע קלות, למשך שניות אחדות, בנגע על עורו של חולה. הסיב איפשר לבדוק מיד את ה"צבע" של הנגע.

^{מהיר ולא פולשני. פרופ' קציר משתמש בטכנולוגיה החדשה לזיהוי סוג הנגע העורי}

'טביעת אצבע' צבעונית

לדבריו של פרופ' קציר, ניסויים קליניים נעשו על נגעי עור חשודים בכמאה חולים. הפיזיקאים ביצעו בעזרת המערכת החדשה מדידות של ה"צבע" של כל אחד מנגעים אלו, לפני שהם הוסרו ונשלחו לבדיקה פתולוגית. כשהגיעו התוצאות, ראו החוקרים כי לכל הנגעים שנקבעו בפתולוגיה שהם מסוג מסוים, למשל מלנומה, יש "צבע" אופייני באינפרא-אדום, בעוד שלכל אחד מהנגעים מסוגים אחרים יש "צבע" אחר.

"טכנולוגיה זו מעניקה מעין 'טביעת אצבע' המאפשרת אבחון ברור של הנגעים השונים, בעזרת מדידת הצבעים האופייניים", מדגיש פרופ' קציר. "באופן זה, ניתן לאבחן נגעים בשיטה אופטית בלתי פולשנית, והרופא והמטופל מקבלים את התוצאה באופן אוטומטי ומיידי. זאת בניגוד לבדיקה השגרתית כיום, הכרוכה בניתוח ובאבחון פתולוגי שלוקח זמן רב".

"מלנומה היא סרטן עור מסכן חיים ועל כן חשוב מאד לאבחן אותה מבעוד מועד, כאשר היא עדיין שטחית. המערכת החדשנית תאפשר לכל רופא עור לקבוע אוטומטית את אופיו של נגע חשוד, ובמיוחד האם הוא מלנומה. למערכת יש פוטנציאל לחולל שינוי דרמטי בתחום האבחון והטיפול בסרטן עור, ואולי גם בסוגים אחרים של סרטן. האתגר הגדול יהיה להפוך את הטכנולוגיה, שהיא עדיין יקרה, לכזו שייעשה בה שימוש בכל בית חולים או בכל קליניקה", מסכם פרופ' קציר.

הטכנולוגיה פותחה על ידי חוקרים מישראל, מארה"ב ומארגנטינה. בקבוצת המחקר הישראלית חברים החוקרים: פרופ׳ תומר וולנסקי, ד״ר לירון ברק ופרופ׳ ארז עציון מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר של אוניברסיטת תל אביב.

שלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל

לפני כעשור הציע פרופ׳ תומר וולנסקי עם שותפים מארה"ב שיטה חדשה ורגישה במיוחד, הבוחנת את האינטראקציה של חומר אפל עם האלקטרונים – אותם חלקיקים תת-אטומים החגים סביב גרעיני האטום – ובכך מאפשרת את החיפוש אחר חומר אפל קל, שעד לאותו הזמן נחשב לבלתי ניתן לגילוי.

בעקבות הפיתוח הרעיוני, פותח לאחרונה גלאי חדש על ידי הקולבורציה הבינלאומית SENSEI, שבה שותפים גם החוקרים מאוניברסיטת תל אביב. הגלאי החדש, הנקרא Skipper-CCD, מאפשר לגלות את שחרורו של אלקטרון בודד מתוך טריליוני הטריליונים של האלקטרונים החגים בו. בחודשים האחרונים החלה התקנה של הגלאי במעבדה התת קרקעית, SNOLAB שבקנדה, ותוצאות ראשונות צפויות בשנה הבאה. הפיתוח מביא לשלב חדש ומסעיר בחיפוש אחר החומר האפל. 

על פיתוח זה, זכה פרופ' תומר וולנסקי בפרס היוקרתי "פריצת דרך-אופקים חדשים בפיזיקה 2021" (Breakthrough Prize- The New Horizons in Physics Prize).  הפרס הוענק על ידי קרן "פריצת דרך" (Breakthrough Prize), שנוסדה בשנת 2012 על ידי פילנתרופ המדע יורי מילנר, במטרה להוקיר תרומות משמעותיות לידע האנושי. הפרס מוענק מדי שנה לחוקרים בתחומי המתמטיקה, הפיזיקה ומדעי החיים. 

בעולם שבו אנו חיים כמעט לכל מחלה ופגע יש תרופה. אנחנו נוטלים כדורים, מורחים משחות, בולעים סירופ, מרגישים יותר טוב ושוכחים מכל הסיפור. אבל חשבתם פעם מה קורה לפסולת הרפואית שלנו ולאן היא מגיעה? במחקר בהובלת פרופ' נועה שנקר ותלמידת המחקר גל נבון מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס וייז וממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט נדגמו מי ים ב-11 אתרים שונים לאורך חופי ישראל. בעשרה מתוכם נמצא ריכוז משמעותי של שיירי תרופות, שמוזרמות דרך השפכים אל הים. שיירי התרופות נדגמו באיצטלנים – חסרי חוליות ימיים קבועי-מקום הניזונים מסינון מי הים. מסתבר שהחשיפה לתרופות עלולה להשפיע עליהם לטווח ארוך ולמעשה להפר את האיזון העדין של כל מארג החיים הימי, ואפילו לפגוע בחובבי המטבח הקולינרי שמבוסס על מאכלי הים.

מה לאיצטלנים ולתרופות של בני אדם?

איצטלנים הם חסרי חוליות ימיים שגודלם מספר סנטימטרים, הנצמדים למשטחים קשים כמו סלע, מזח או שובר גלים. מכיוון שהם ניזונים מחלקיקים קטנים שנמצאים במים - נאגרים בגופם במהלך הזמן חלקיקים רבים מהסביבה הימית, בהם חומרים מזהמים.

במסגרת המחקר דגמו החוקרים איצטלנים מתשעה אתרים לאורך חוף הים התיכון (אכזיב, עכו, המרינה בחיפה, שדות ים, תחנת הכוח בחדרה, חוף אכדיה בהרצליה, חוף הסלע בבת-ים, המרינה באשדוד והמרינה באשקלון), ושני אתרים בים סוף (המרינה באילת וריף הדולפינים). הם ביצעו בהם אנליזה כימית על מנת לחפש חומרים פעילים משלוש תרופות נפוצות בשימוש האדם, שידועות בכך שכמעט ואינן מתפרקות במכונים לטיהור שפכים ונותרות זמן רב בסביבה הימית: בזפיברט, המשמש להורדת רמות שומנים בדם; קארבאמזפין לטיפול באפילפסיה ולייצוב מצב הרוח; ודיקלופנק, נוגד דלקות המצוי בתרופה המוכרת 'וולטרן'.

הממצאים שהתגלו מדאיגים מאוד: ב-10 מתוך 11 האתרים שנדגמו נמצאו שיירים של התרופות שנבדקו בריכוזים משמעותיים.

• בארבעה אתרים (באשדוד, באשקלון, בשדות ים ובחיפה) נמצאו כל שלושת החומרים
• בחמישה אתרים (אכזיב, עכו, הרצליה, בת ים והמרינה באילת) נמצאו שיירים של שתיים משלוש התרופות
• בריף הדולפינים באילת, נמצאו רק שיירי תרופה אחת – דיקלופנק, אך בריכוז מדאיג
• ריכוזים גבוהים במיוחד של דיקלופנק ובזפיברט נמצאו בעכו, באשדוד ובאשקלון

רק באיצטלנים שנדגמו מהעומק בתחנת הכוח בחדרה לא נמצאו כלל תרופות.

^{בלעו תרופה? גל נבון דוגמת אצטלנים מסוג Styela plicata במרינה קישון (צילום: ליאון נובק)}

לא מתפרקות

פרופ' שנקר והחוקרת גל נבון מסבירות כי התרופות שבני האדם צורכים אינן מתפרקות בגופנו באופן מלא, ואחוזים גבוהים מהחומרים הפעילים מופרשים מהגוף בצורתם המקורית. בנוסף, עקב חוסר מודעות, תרופות שאינן בשימוש מושלכות לעתים קרובות לאסלה או לפח. מכוני טיהור השפכים הקיימים היום אינם ערוכים לטפל בשיירי תרופות, ואין פיקוח על ריכוזם בתום הטיפול בשפכים, בניגוד למזהמים אחרים. בסופו של דבר, חלק ניכר מהחומרים הללו מגיע דרך הביוב אל הים.

לדבריהן, בסביבה הימית ברחבי העולם ישנו מגוון גדול של שיירי תרופות, בהם סוגי אנטיביוטיקה, נוגדי דלקות, משככי כאבים, הורמונים, נוגדי דיכאון ועוד. "חלק ניכר מתרכובות אלה הן יציבות מאוד", מציינות החוקרות ומוסיפות: "הן אינן מתפרקות במהירות בסביבה הימית, והנזק ליצורים ימיים עלול להיות גדול במיוחד, מכיוון שהתרופות נועדו מלכתחילה לפעול על מערכות ביולוגיות (גוף האדם). כך למשל, מחקרים שונים שנעשו בעולם מצאו כי אסטרוגן המצוי בגלולות למניעת היריון יוצר סממנים נקביים בדגים זכרים, ולכן פוגע ביכולת הרבייה של מינים מסוימים; פרוזק גורם לאגרסיביות וללקיחת סיכונים בקרב סרטנים; נוגדי דיכאון פוגעים בזיכרון ובכושר הלמידה של דיונונים ועוד".

במחקר השתתפה גם המעבדה ההידרוכימית של המרכז לחקר המים בביה״ס לסביבה ומדעי כדור הארץ ע"ש פורטר בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בראשות פרופ' דרור אבישר. המאמר פורסם באוגוסט 2020 בכתב העת Marine Pollution Bulletin.

לעצור את הזיהום הכרוני

״אנו עובדים כבר 15 שנה על הגורל הכימי-פיסיקלי של שיירי תרופות במקורות מים יבשתיים, והימצאותם של שיירים אלו בסביבה הימית הפתיעה אותנו. תוצאות המחקר מעידות על ההיקף הגדול של זיהום כרוני בשיירי תרופות, וכן על קליטתם של מיקרו וננו-מזהמים, הנמדדים בריכוזים נמוכים מאוד, באורגניזמים הימיים״, אומר פרופ׳ אבישר.

"במחקר שלנו מצאנו שישראל אינה פטורה מהבעיה הגלובלית החמורה של זיהום מי הים בחומרים תרופתיים. התרופות שאנו צורכים מגיעות לים, בעיקר באמצעות הביוב, וגורמות נזק רב לסביבה הימית ולהשפעה עקיפה על בני אדם, הניזונים ממאכלי ים ונחשפים לזיהום זה", מסכמת פרופ' שנקר. "כדי להתמודד עם הבעיה ניתן לנקוט בצעדים שונים. ברמת הפרט, אנו ממליצים לכלל האוכלוסייה לקחת אחריות אישית ולהשליך תרופות שאינן בשימוש למכלים המיועדים לכך בבתי המרקחת ובקופות החולים. כמו כן, אנו פועלים להרחבת המחקר בנושא ניטור זיהום התרופות לאורך חופי ישראל, על ידי אנליזה מתקדמת למגוון גדול יותר של תרופות שנמצאות בשימוש נרחב. בנוסף אנו בוחנים אילו שינויים נגרמים לבעלי חיים הנחשפים לריכוזים סביבתיים של תרופות אלה".

כמה פעמים חשבתם פעמיים אם לבצע בדיקה רפואית כלשהי, מחשש לנזק שהיא עלולה לגרום לכם בעקבות החשיפה לקרינה? האם שמעתם על תרופות שנמכרו במחיר זול מהרגיל, אך הסתבר שהן אינן מקוריות? קבוצת חוקרים מהמעבדה לננו אלקטרואופטיקה במחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, בראשותו של פרופ' טל אלנבוגן, הצליחה לפתח שיטה חדשה שתזהה את אותן תרופות באמצעות גלי טרה-הרץ, ואף תאפשר את פיתוחם המואץ של מגוון יישומים חדשים וחיוניים בתחומי הרפואה, הטכנולוגיה, הביטחון ועוד.

אפילו קיר לא עוצר אותם

גלי טרה-הרץ הם גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל קצרים מגלי מיקרו וארוכים מגלים בתחום האינפרה-אדום. לדברי פרופ' אלנבוגן, אחד היתרונות שלהם הוא האינטראקציה הייחודית שלהם עם חומרים. למשל, ניתן להשתמש בגלי טרה-הרץ כדי לזהות באופן מדויק חומרים שונים. בנוסף, גלים אלו יכולים לעבור דרך עצמים שנראים אטומים באורכי גל אחרים, כך שניתן להשתמש בהם על מנת לגלות עצמים נסתרים ואפילו את הרכבם.

זו הסיבה ששימוש נרחב בהם יכול לעשות מהפכה בגילוי תרופות המופצות בשוק תחת שמות מסחריים, אך לא יוצרו על ידי יצרן מקורי או כזה שלא מאושר על ידי משרד הבריאות, בזיהוי הרכב חומרים מרחוק ואפילו בהורדת סיכון החשיפה שלנו לגלי קרינה מייננים, כפי שקורה למשל בצילומי רנטגן ובדיקות דימות אחרות כמו CT או בטיפולי הקרנה לחולי סרטן, שלמרות התועלת שבהם, חשיפת יתר עלולה להזיק לבריאותנו.

התכונות של גלי טרה-הרץ מוכרות למדע זה זמן רב, אך עד כה היכולים לשלוט בגלים אלו היתה מוגבלת מאוד יחסית לתחומי קרינה אחרים. במעבדתו של פרופ' אלנבוגן, עם הסטודנטים שי קרן-צור ומאי טל , בשיתוף עם פרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון בארה"ב וד"ר שר-לי פליישר, חוקר בביה"ס לכימיה באוניברסיטת תל אביב, הצליחו לפתח שיטה חדשה של ייצור ושליטה בגלי טרה-הרץ (Terahertz) תוך שימוש במשטחים מהונדסים בסקאלה ננומטרית, הנקראים מטא-משטחים, אשר יוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב, בשיטות ננו-טכנולוגיות מתקדמות.

תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתבי העת NATURE Communications  ו-Nano Letters ויוצגו בתחילת פברואר 2020 בכנס הבינלאומי לאופטיקה Photonics West  שיערך בסן פרנסיסקו.

איך עושים גלים?

במסגרת התהליך יצרו החוקרים משטחים מרוצפים באנטנות ננו-מטריות מזהב (ננומטר שווה ערך למיליארדרית המטר), הקולטות ביעילות אור מלייזרים בעלי פעימות קצרות מאוד, ובתהליך של המרת אנרגיה הן משדרות במקומן פעימות של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח הראו החוקרים שניתן לעצב את צורתה המרחבית והזמנית של פעימת הטרה-הרץ, שנוצרה בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה.

פרופ' אלנבוגן: "ההדגמה שעשינו במעבדה פורצת דרך, מכיוון שהשימוש בחומרים ננו-מטריים והיכולת לייצר מהם אור בצורה נשלטת, מוסיפים כלים טכנולוגיים חשובים ויכולות חדשות ולוקחים את המחקר בתחום צעד גדול קדימה״.

לדבריו, ״היכולת לשלוט באופן מושלם בצורה המרחבית ובמאפיינים נוספים של גלי הטרה-הרץ, כפי שהודגם במחקר, מאפשרת את יישומן ופיתוחן של שיטות דימות מתקדמות, מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה חדשות. כך לדוגמה, ניתן יהיה לזהות מרחוק וללא שימוש בבדיקות מעבדה כימיות הרכב חומרים שונים ואת המבנה המרחבי שלהם בצורה טובה יותר, למשל זיהוי תרופות מזויפות בקלות וכן זיהוי של חומרי נפץ".

בשל חשיבותו הרבה זכה המחקר למימון של סוכנות ה-ERC (European Research Council) היוקרתית למענקים מחקריים של האיחוד האירופי ושל משרד המדע והטכנולוגיה.