מה מסמן הגביש?

הכל התחיל מתמונה יפה בספר: צילום של גביש סגול המכונה פלואוריט, שצבעו המרהיב צד את עינו של ד"ר אמנון בר-שיר מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע. הגביש המרשים, המורכב מהיסודות סידן ופלואור, הזכיר לד"ר בר-שיר, אשר חוקר דימות בתהודה מגנטית (MRI), את הסברה המקובלת שחומרי סימון מבוססי-פלואור עשויים לאפשר סריקות MRI ברזולוציות גבוהות יותר.

חרף ההבטחה הטמונה בחומרים המכילים פלואור ליישומי MRI, הרעיון של שימוש בגביש פלואוריט (סידן פלואורי) דווקא לא נראה מבטיח במבט ראשון. בשל המבנה הגבישי המוצק שלו אפשר היה לצפות שהוא לא ייראה במכשיר ה-MRI, שהרי מכשיר זה ממפה אותות של רקמות רכות, נוזלים, או מולקולות מסיסות קטנות. עיקר השימוש הקליני בו הוא לצורך דימות של מולקולות המים בגופנו; או, אם לדייק, דימות של אטומי המימן במים שהספינים הגרעיניים שלהם מתכווננים בהשפעת המגנט החזק של המכשיר. אטומי פלואור מחזירים אות מגנטי גרעיני הדומה מאוד לזה של אטומי המימן במים, הגם שהם עושים זאת בתדר שונה. לפיכך, חומרי סימון מבוססי-פלואור מתאימים באופן עקרוני לשימוש במערכות הקיימות.

בניגוד למים, פלואור אינו קיים באופן טבעי ברקמות הרכות של הגוף. לכן, הזרקת חומר סימון מבוסס-פלואור לתוך איבר או רקמת מטרה עשויה לתת תמונה באיכות גבוהה ללא "רעש הרקע" של המים. אבל, כאמור, כדי ליצור אות בסורק MRI, על חומר הסימון להיות נוזלי, או, במילותיו של ד"ר בר-שיר: "עליו להיות מסוגל לנוע סביב צירו בתמיסה בחופשיות, כלומר ללא מגבלת הניידות של מוצק רגיל".

"ואז צץ במוחי רעיון מטורף", משחזר ד"ר בר-שיר. "מה אם אפשר לייצר ננו-גבישים של סידן פלואורי שיהיו קטנים דיים כך שיוכלו לנוע סביב צירם במהירות גבוהה, ובכך להקנות להם את הניידות הדרושה ליצירת אות MRI ייחודי משלהם?" כדרכן של מחשבות מרחיקות לכת, הרעיון נשאר "על אש קטנה", בעוד ד"ר בר-שיר פנה לחפש כיוונים אחרים, נגישים יותר, לפיתוח המחקר בתחום התהודה המגנטית. אבל כאשר הגיע ד"ר עידן אשור למעבדה של ד"ר בר-שיר, הרעיון צץ שוב. "ד"ר אשור מעולם לא עבד עם MRI או דימות ביולוגי כלשהו לפני כן", מספר ד"ר בר-שיר. "אבל היה לו ניסיון רב בתחום רלבנטי מאוד במקרה זה – יצירת ננו-חלקיקים. הסכמנו שהוא ינסה את הרעיון ה'בלתי אפשרי' שלי – דימות תהודה מגנטית עם ננו-גבישים של סידן פלואורי, ושאם שזה לא יעבוד, הוא יהיה חופשי לעבור למעבדה אחרת".

בסופו של דבר, ד"ר אשור לא נאלץ לחפש מעבדה אחרת, שֶכֵּן התוצאות היו לא פחות ממדהימות: הננו-גבישים הזעירים שיצר מסידן פלואורי החזירו אותות MRI חזקים כאשר הונחו בתמיסה במבחנה. הגבישים, שקוטרם ארבעה או חמישה ננומטר, היו ככל הנראה קטנים מספיק כדי לנוע בתמיסה סביב צירם ולייצר אות.

ככל הידוע לי, זו הפעם הראשונה שבה נקלטו אותות תהודה מגנטית מיסודות בתוך ננו-גבישים כאשר הם בתמיסה. הלכנו עם הרעיון הבלתי-אפשרי הראשוני לאורך כל הדרך, עד שהדגמנו את יעילותו ברקמה חיה"

ננו-גבישים לאיתור דלקות

בעקבות ההצלחה פנה צוות המחקר, בשיתוף החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר הילה אלוש-ארנון, להתאמת הננו-גבישים לצורך דימות ביולוגי. לשם כך יישמו החוקרים טכנולוגיה מתחום תעשיית התרופות, המשמשת להארכת מחזור החיים של מולקולות קטנות של תרופות או ננו-חלקיקים להזרקה. השיטה, פגילציה, כרוכה בציפוי ננו-חלקיקים בחומר מותאם ביולוגית שנקרא פוליאתילן גליקול (או בקיצור פג), אשר מגביר את היציבות שלהם במצע ביולוגי.

אמנם, יצירת ננו-גבישים מצופים כרוכה בתהליך מורכב, אך בסופו של דבר התברר כי הדבר משתלם. לאחר שהחוקרים הזריקו את הננו-גביש החדש לעכברים, הם היו מסוגלים למפות ולאתר תהליכים דלקתיים נרחבים בבלוטות הלימפה בחיה שלמה. מחקר נוסף הראה, כי הננו-גבישים "נבלעו" והועברו לבלוטות הלימפה על-ידי מקרופאגים – תאים של המערכת החיסונית המשמשים כ"צוות הניקוי" של הגוף. בעת שמתחולל בגוף תהליך דלקתי נמצאים מקרופאגים רבים בזרם הדם, ובזכות מספרם הגדול הודגשו בלוטות הלימפה בסריקת ה-MRI.

בניסויי המשך בחן צוות המחקר תרכובות מבוססות-פלואור אחרות, והראה כי אפשר להשתמש גם בהן בצורת ננו-גבישים. כך למשל, הם יצרו ננו-גבישים של סטרונציום פלואורי, ומצאו כי אות ה-MRI שלהם שונה מזה של גבישי סידן פלואורי. תוך ניצול עובדה זו, ובאמצעות שימוש בשני סוגים של ננו-גבישים, הצליחו החוקרים ליצור תמונות מרובות-צבעים; כך אפשר יהיה בעתיד לנטר כמה מטרות ביולוגיות במקביל. תוצאות ניסויים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Angewandte Chemie.

רעיון בלתי-אפשרי אחד – יישומים אפשריים רבים

חומרי ניגוד שתוכננו במיוחד לצורך גילוי שלבים מוקדמים של דלקת עשויים לשמש בסיס לאמצעי אבחון רב-עוצמה במצבים פתולוגיים שונים, ובהם התפרצות מחלות כגון אלצהיימר, פרקינסון, טרשת נפוצה, ואפילו סרטן. באופן תיאורטי אפשר גם לחבר לננו-גבישים מולקולות נוספות, כמו למשל נוגדנים המכוונים נגד סוגי תאים ספציפיים, ובכך להרחיב עוד יותר את יכולות ה-MRI. הננו-גבישים עצמם גם עשויים לסלול דרכים חדשות בהנדסת חומרים, שכן יש להם תכונות של גבישים מוצקים ושל מולקולות קטנות גם יחד.

"ככל הידוע לי, זו הפעם הראשונה שבה נקלטו אותות תהודה מגנטית מיסודות בתוך ננו-גבישים כאשר הם בתמיסה", אומר ד"ר בר-שיר. "הלכנו עם הרעיון הבלתי-אפשרי הראשוני לאורך כל הדרך, עד שהדגמנו את יעילותו ברקמה חיה".

"ידע", זרוע היישומים של מכון ויצמן למדע, הגישה בקשה לפטנט, ופועלת עם קבוצת המחקר של ד"ר בר-שיר על מנת לתרגם טכנולוגיה זו לשימוש מסחרי.