מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו אלגוריתם שעשוי לנבא את הסיכוי לחלות בשחפת

רושם ראשוני מאדם שזה עתה פגשנו, עשוי לחרוץ את תדמיתו בעינינו לשנים רבות. גם המפגש הראשוני של חיידק עם תאי מערכת החיסון שלנו מותיר בהם רושם שעשוי להתבטא רק שנים רבות מאוחר יותר, ולהביא להתפרצות מחלה. מדעני מכון ויצמן למדע התחקו אחר אותן "פגישות ראשונות" – ובחנו את "קבלת הפנים" לחיידק ברמת התא החיסוני הבודד מתוך הסתכלות על המערכת החיסונית הכוללת. על בסיס ממצאים אלה, פיתחו החוקרים אלגוריתם שעשוי לאפשר בעתיד לנבא את הסיכון לפתח מחלות זיהומיות, דוגמת שחפת, שנים רבות לפני שהן מתפרצות. המחקר מתפרסם היום בכתב-העת המדעי Nature Communications.

"המטרה שלנו במעבדה היא להסתכל על אירועים מוקדמים בתחילת ה'קשר' בין חיידקים למערכת החיסונית", מסביר ד"ר רועי אברהם מהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון. "לאחר חשיפה, המערכת החיסונית עשויה להרוג את החיידק, החיידק עלול לגבור על המערכת החיסונית ולחולל מחלה או להישאר רדום בגופנו למשך שנים. אנו משערים כי צומת ההחלטה לאחד מהתרחישים האלו מוכרע כבר במפגש הראשוני – 24 עד 48 שעות לאחר החשיפה". כדי לבחון את השערותיהם, זימן צוות המחקר פגישה בצלחת בין חיידק סלמונלה לדגימת דם אנושית. החוקרים, בהובלת ד"ר נעה בוסל בן משה וד"ר שלי חן אביבי מקבוצתו של ד"ר אברהם, מיפו ברזולוציה של תא בודד כיצד נראה כל סוג תא לאחר שנחשף לסלמונלה – כלומר איזה תא הוא ומה רמת השפעול (אקטיבציה) שלו.

ריצוף חומר גנטי ברמת התא הבודד מדגימת דם אנושית הוא מומחיות הזמינה כיום במספר מצומצם של מעבדות בעולם. בניגוד לשיטות זמינות של מיפוי החומר הגנטי בדגימה כולה, ריצוף ברמת התא הבודד מאפשר לחשוף עולם חדש של מידע ומורכבות. למותר לציין, שכלי זה רחוק מלהיות זמין במרפאות ובבתי חולים. כיצד, אם כך, אפשר לרתום את עוצמתו הרבה לטובת הרפואה? לשם כך פיתחו החוקרים אלגוריתם על בסיס מאגר הנתונים שיצרו בעקבות המפגש בין הסלמונלה למערכת החיסון. האלגוריתם, המבוסס על תהליך חישובי של דה-קונבולוציה (deconvolution), מאפשר לחלץ מידע שלא היה זמין קודם לכן בניתוח סטנדרטי של דגימות דם – מבלי להזדקק לריצוף ברמת התא הבודד. "אולי החידוש הגדול ביותר באלגוריתם שפיתחנו", אומרת ד"ר בוסל, "הוא היכולת להגיד לא רק מהו הרכב התאים אלא גם מה הן רמות השפעול שלהם – כלומר לא רק אילו תאים יש בדגימה אלא גם מהו פוטנציאל התגובה שלהם".

המטרה שלנו במעבדה היא להסתכל על אירועים מוקדמים בתחילת ה'קשר' בין חיידקים למערכת החיסונית. לאחר חשיפה, המערכת החיסונית עשויה להרוג את החיידק, החיידק עלול לגבור על המערכת החיסונית ולחולל מחלה או להישאר רדום בגופנו למשך שנים. אנו משערים כי צומת ההחלטה לאחד מהתרחישים האלו מוכרע כבר במפגש הראשוני"

כדי להעמיד את האלגוריתם למבחן, אספו החוקרים קבוצה של נבדקים בריאים מהולנד, שנבחרו על סמך תיקם הרפואי. החוקרים הדביקו דגימות דם שנלקחו מאנשים אלה בסלמונלה, וכאשר הסתכלו בשיטות אנליזה קיימות על ביטוי הגנים בדגימה – לא נמצאו הבדלים משמעותיים בתגובת המערכת החיסונית; רק לאחר הפעלת האלגוריתם, נחשפו לפתע הבדלים ניכרים. "באמצעות האלגוריתם הצלחנו למצוא הבדלים שמסבירים את השונות בין הדגימות ביכולת להרוג את החיידק", אומרת ד"ר חן אביבי. מעוּדדים מההצלחה, החליטו החוקרים לקפוץ מדרגה ולבדוק את האלגוריתם בחיידק מסוג אחר לגמרי (וקטלני בהרבה): מיקובקטריום טוברקולוזיס – החיידק מחולל השחפת.

בעולם הראשון לא תמיד מודעים לכך, אך שחפת היא עדיין מגיפה עולמית ולפי הערכות, כשליש מאוכלוסיית העולם נגוע בה. מתן טיפול אנטיביוטי למאות מיליוני אנשים במדינות העולם השלישי אינו מהווה טיפול מיטבי – בייחוד לאור העובדה ש-95% מהם לא יפתחו את המחלה לעולם. לפיכך, ניתן טיפול רק כאשר המחלה מתפרצת ומופיעים תסמינים, אך בשלב זה המחלה כבר מסוכנת ביותר, וכשני מיליון חולים מתים משחפת מדי שנה. מה מבדיל בין אלה החולים בשחפת לאלה שאינם מפתחים את המחלה? כדי לבדוק אם לאלגוריתם פתרונים, פנו החוקרים למאגר נתונים בריטי שתיעד נשאי שחפת במשך שנתיים. "במאגר נכללים אנשים שגורלם שונה מאוד – נשאים, חולים פעילים וכאלה שהפכו מנשאים לחולים במהלך אותה תקופה", אומרת ד"ר חן אביבי. על אף שהאלגוריתם מבוסס על מפגש עם סלמונלה, הצליחו החוקרים לגלות בעזרתו הבדל בין הנבדקים ברמת השפעול של תאי מונוציט. "כבר בשלב הרדום, כשאף אחד לא יכול היה לשער שנשאים אלה עומדים לפתח מחלה, ניכר הבדל משמעותי ברמת השפעול של המונוציטים בינם ובין הנשאים האחרים. משמעות הדבר היא שאפשר לכאורה לאתר הבדל זה בנקודות זמן מוקדמות, וכך אולי לחזות את התפרצות המחלה", היא מוסיפה.

"באזורים מוכי שחפת, כמו סין ורוסיה או יבשת אפריקה, אין די משאבים לטפל בנשאים, שכן מדובר ברוב האוכלוסייה. מצד שני, כשאנשים כבר חולים זה מאוחר מדי – הם נדרשים ליטול שלושה סוגי אנטיביוטיקה למשך תשעה חודשים. יותר מכך, החיידקים מפתחים בהדרגה עמידות גוברת לתרופות", אומר ד"ר אברהם. מחקרי המשך, שיכללו בין היתר הרחבת מאגר המידע של האלגוריתם גם לשחפת, עשויים לאפשר פיתוח כלי שינבא מה הסיכון לחלות במחלה – ויאפשר למערכת הרפואית להציע טיפול אנטיביוטי מונע בשלב שבו העומס החיידקי עדיין קטן יותר, וסיכויי ההחלמה משופרים. בהמשך מתעתדים החוקרים "לאמן" את האלגוריתם גם על מחלות זיהומיות נוספות.

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר - מכון ויצמן למדע
08-9343856 news@weizmann.ac.il