חלבונים הם אבני הבניין של החיים, ושינויים ברמות החלבון יכולים להעיד על שיפור הבריאות או מחלה מתקרבת, כולל סימני דלקת. בעוד שניתן למדוד את רמות החלבון בבדיקות דם או שתן תקופתיות, זה היה אתגר עלייה להבין כיצד לנטר באופן רציף את רמות החלבון בגוף האדם בזמן אמת.
כעת, צוות של מהנדסי ביו ב-Chan Zuckerberg Biohub Chicago, הנתמכים על ידי יוזמת צ'אן צוקרברג, ואוניברסיטת Northwestern מציגים אבן דרך חשובה במאמץ זה: חיישנים שהושתלו מתחת לעור שעוקבים אחר שינויים בחלבון בבעלי חיים חיים בזמן ששינויים אלו מתרחשים. במבחני הוכחת מושג, מתואר 5 בדצמבר 2024 ב מַדָעהטכנולוגיה החדשנית מדדה באופן מדויק ורגישות סמנים ביולוגיים של חלבון של דלקת בחולדות סוכרתיות.
העבודה מהווה צעד משמעותי לקראת הבנה מעמיקה יותר של דלקת, אחת התופעות המורכבות והחשובות בגוף האדם. לפי הערכות, כ-50% מכלל מקרי המוות מיוחסים למחלות הקשורות לדלקת, כולל סרטן ומחלות לב. הטכנולוגיה החדשה מניחה את הבסיס לכלים עתידיים לניטור, מעקב ויום אחד אפילו למנוע דלקות אצל אנשים. יכולת כזו יכולה לשנות באופן קיצוני את הטיפול במחלות הקשורות לדלקת, בדומה לאופן שבו ניטורי גלוקוז מתמשכים חוללו מהפכה בטיפול בסוכרת על ידי שיפור תוצאות המטופל והורדת עלויות הבריאות הכוללות.
זוהי יכולת חדשה לחלוטין – להיות מסוגל לצפות בדלקת בזמן אמת. אנו מקווים שיום אחד הטכנולוגיה הזו תועיל לאנשים רבים ותספק אמצעי למניעת מחלות מתקדמות".
שנה קלי, סופר בכיר, נשיא CZ Biohub Chicago ופרופסור לכימיה וביו-הנדסה באוניברסיטת נורת'ווסטרן
תנער את זה
כאשר הושק CZ Biohub Chicago בשנת 2023, הצוות שם לו למטרה להטמיע חיישנים ביו-אלקטרוניים ברקמות כדי לנטר דלקת. לשם כך, הצוות נזקק תחילה לדרך למדידת רמות של ציטוקינים חלבוניים, שליחים כימיים המיוצרים על ידי מערכת החיסון הנקשרים לתאים כדי לגרום לדלקת.
אבל הייתה בעיה. בעוד שקיימים חיישנים רבים כדי לזהות באופן רציף מולקולות קטנות, כמו גלוקוז או אלקטרוליטים, חיישנים לחלבונים – שהם גדולים ומורכבים יותר ממולקולות קטנות – הוכחו כמאתגרים יותר. כדי לזהות חלבונים בנוזלים ביולוגיים, מדענים מסתמכים על מולקולות או חלבונים הנצמדים בחוזקה לחלבונים כדי למשוך אותם מהנוזל. החיבור דמוי הסקוטש, לעומת זאת, כל כך חזק שהקולטנים מחזיקים יותר מ-20 שעות, מה שהופך את זה לבלתי אפשרי למדוד תנודות בזמן אמת ברמות החלבון.
"זיהינו את המכשול הבסיסי הזה, ופיתחנו את הרעיון שאולי נוכל לנער את החלבונים מיד מהחיישנים", אמרה קלי. "ובפעם הראשונה שניסינו את זה, זה עבד יפה."
הצוות פיתח חיישנים בקנה מידה ננומטרי שנראים כמו שורות של מטוטלות בולבוסיות, שכל אחת מהן מורכבת מחוט של DNA עם חתיכת DNA גדולה יותר בקצה כדי לקשור חלבון רצוי. המטוטלות הדביקות הללו "תופסות" חלבוני מטרה, ואז מנערות קדימה ואחורה כדי לזרוק את החלבונים הללו ולתפוס אחרים תוך דקה.
לאחר מכן, הצוות הנדס מיקרו-מכשיר להשתלה עם החיישנים המוטבעים בתוך מחט דקיקה, ברוחב של שלוש שערות אנושיות, בדומה למיקרו מחטים בתוך מוניטורים רציפים של גלוקוז המשמשים אנשים עם סוכרת למעקב אחר רמת הסוכר בדם. המדענים השתילו את המכשיר בעור של חולדות עם סוכרת. סוכרת ודלקת קשורות קשר הדוק, כאשר רבים מהסיבוכים של סוכרת נגרמים על ידי דלקת.
החיישנים מדדו בהצלחה שינויים בריכוז של שני חלבוני ציטוקינים, סמנים של דלקת, בנוזל שמתחת לעור החולדות. כאשר החולדות צמו ורמות הגלוקוז בדם היו תחת שליטה, החיישנים זיהו את רמות הציטוקינים היורדות. לעומת זאת, כאשר החולדות הוזרקו חומר שמעורר את המערכת החיסונית, החיישנים תיעדו רמות ציטוקינים דלקתיות שעלו במהירות.
"השמיים הם הגבול"
נכון לעכשיו, קלי וצוות צ'אן צוקרברג ביוהוב בשיקגו משתמשים בחיישנים כדי לחקור דלקת בחולדות בתנאים מגוונים, ומשלבים את החיישנים במגוון מודלים של רקמות של דלקת. על ידי הטבעת רקמות עם אלפי חיישנים ובדיקות דגימה, הצוות המשותף של מדענים, מהנדסים, טכנולוגים ורופאים של Biohub פועל לניטור הפעילות של תאי חיסון בזמן אמת, במטרה למצוא דרכים להרחיק את המערכת החיסונית מה" נקודות מפנה" המובילות להפרעות דלקתיות.
המטרה הסופית היא למצוא דרך להשתמש בטכנולוגיה זו למעקב אחר בריאות האדם. אם החוקרים יוכלו להבין ולנטר דלקת בגוף האדם בצורה מעמיקה יותר בזמן אמת, הם עשויים להיות מסוגלים להתערב, ואפילו למנוע, מחלות הקשורות לדלקת בעתיד, לשנות באופן דרמטי את שירותי הבריאות ולהציל חיים.
"כמו שניטור רציף של גלוקוז פתח את היכולת לנטר מטופלים עם סוכרת בזמן אמת, יש לזה אותו פוטנציאל לאפשר לנו לנטר, ואפילו למנוע, מחלות רבות", אומר קלי. "עם דלקת, השמיים הם הגבול עם מה שאתה יכול לעשות לבריאות שלך על ידי שמירה על ידית".
העבודה מייצגת צעד משמעותי קדימה במשימתה של CZ Biohub Chicago לבנות טכנולוגיה לביצוע מדידות מדויקות ברמה מולקולרית של תהליכים ביולוגיים בתוך רקמות אנושיות. תוצאות ראשוניות אלו הן תוצאה ישירה של המודל השיתופי של רשת CZ Biohub למחקר מדעי. CZ Biohub Chicago הוא אחד מארבעה מכונים ברשת Chan Zuckerberg Biohub.
