הרופאים הזעירים של המדע

הננוטכנולוגיה נמצאת כבר כמה עשורים בחוד החנית של המדע החדשני. ככל שמשתכללת היכולת שלנו לבנות מכונות מולקולריות זעירות כך מתרבים גם היישומים של הטכנולוגיות פורצות הדרך הללו, למשל בתחומי האנרגיה, הטקסטיל וכמובן הרפואה.

חומרים בקנה מידה ננומטרי – מיליארדיות המטר – מציעים לעולם הרפואה יתרון אדיר. הסיבה לזה פשוטה – הם ממש ממש קטנים. רבים מהמצבים הרפואיים שבני אדם חווים נובעים מתהליכים שמתרחשים ברמת התא. כדי לטפל בהם עלינו להשתמש בחומרים שיהיו קטנים מספיק להיכנס למחזור הדם ולחדור ממנו לתאים עצמם. לאחר מכן עליהם לרפא את התהליכים הלקויים שחוללו את המחלה.

ריצ'ארד סמאלי (Smalley), חתן פרס נובל בכימיה לשנת 1996 על גילוי צורת פחמן ננומטרית הדומה לכדורגל חלול זעיר, היטיב לתאר את החזון העומד מאחורי התחום: "בריאות האדם תמיד נקבעה בקנה המידה הננומטרי", הכריז. "זה קנה המידה שבו נקבעים התפקודים והתכונות של מכונות החיים הפועלות בתוך כל תא בכל יצור חי. ההשפעה המעשית של מדעי הננו על בריאות האדם תהיה עצומה".

ואכן לננו-רפואה יש פוטנציאל עצום: התחום מציע שיטות אבחון רגישות, יעילות ונוחות יותר, הדמיות איכותיות יותר, הגנה על שתלים ומניעת דלקות, וכמובן גם השמדת גורמי מחלות, כגון תאים סרטניים, חיידקים או נגיפים.

ביות תרופות

ביות תרופות היא טכנולוגיה שנועדה לוודא שתרופה מסוימת תגיע רק לתאים ספציפיים שנקבעו מראש ותפעל עליהם. כך התרופה לא מתפזרת בגוף באקראי בגוף, ולכן אפשר להשתמש במינונים הרבה יותר נמוכים שלה. לעיתים אפשר אפילו לנצל כך מחדש תרופות יעילות שנאסרו לשימוש בגלל תופעות לוואי שנגרמו מהפיזור הרחב שלהן בגוף.

בגלל הפוטנציאל האדיר מדובר בתחום מחקר פעיל מאוד, ופותחו כבר טכנולוגיות ושיטות רבות להגשמת המטרה. באחת מהטכניקות טוענים את התרופה לתוך חלקיק כדורי שקוטרו כמאה ננומטר. פני השטח של החלקיק מעוטרים ברכיבים ביולוגיים שמאפשרים לו לחמוק ממערכת החיסון של הגוף ולהשתלב באין מפריע במחזור הדם.

כדי להוביל את החלקיק אל תאי המטרה של התרופה, מחברים בסדרת פעולות כימיות נוגדנים לשכבת המקיפה אותו. הקידוד הכימי שלהם מאפשר להם לפעול רק על תאים שיש בהם קולטן עם קוד כימי המשלים, כלומר הסוג הספציפי שאנחנו רוצים לתקוף, בהנחה ששאר תאי הגוף אינם מבטאים את הקולטן. כשהחלקיקים נכנסים לתוך התא, חלבונים שמצויים בתוכו מפרקים את שכבת המגן ומאפשרים לתרופה להשתחרר ישירות למקום שבו תשפיע בצורה הטובה ביותר.

היכולת להעמיס מגוון רב של תרופות לתוך ננו-חלקיקים והשליטה במקום שבו ייפרקו את התרופות מציעות שיפור עצום ביעילות התרופות. כך אפשר לצמצם את תופעות הלוואי שלהן וליצור צירופים חדשים של תרופות משלימות או קוקטיילים, שלא יפעלו בצורה קונבנציונלית.

להכניס את התרופה לתוך רכיב כדורי שיכול לנוע באין מפריע במחזור הדם | הדמיה: Science Photo Library

מלחמה בסרטן

אחד האתגרים הגדולים העומדים כיום בפני עולם הרפואה והביולוגיה הוא מציאת טיפול יעיל למחלת הסרטן לסוגיה. למרות פיתוחים חדשים והתקדמות מעודדת בתחומים רבים, רוב הטיפולים הסטנדרטיים סובלים מבעיה מהותית גדולה– חוסר הספציפיות שלהם. הקרנות וכימותרפיה אומנם הורסים ביעילות תאים סרטניים, אך פוגעים במקביל גם בתאים תקינים. התוצאה היא תופעות לוואי קשות, עד כדי סכנת חיים.

הננוטכנולוגיה שותפה למאבק הזה בהמון פיתוחים שנמצאים בשלבים שונים של מחקר קליני. בחלק מהמקרים משתמשים בננו-מבנים בעיקר כדי לסייע בהחדרה ובהסעה של תרופות אנטי-סרטניות במחזור הדם. בשיטות מתוחכמות יותר מעטרים את פני השטח של הננו-מבנים בקולטנים שמאפשרים משלוח מדויק של התרופות לתאים ספציפיים. לעיתים מצליחים להוסיף גם מנגנון הפעלה בשלט רחוק, כך שהננו-מבנים ייכנסו לפעולה רק בתגובה לגורם חיצוני שיעורר אותם.

באחת השיטות מכוונים בתחילה ננו-חלקיקים לאזור נגוע במגוון טכניקות. לאחר מכן מנצלים את התכונות הכימיות והפיזיקליות של החומר כדי להשמיד את תאי הסרטן. כדי לעשות את זה מקרינים על האזור גלי רדיו או גלי אינפרא אדום שאינם מזיקים לבני אדם. הננו-חלקיקים קולטים את האנרגיה של גלי הרדיו ופולטים אותה בצורת חום ששורף באופן נקודתי את התאים החולים.

חלקיקים זעירים שחודרים ביעילות לתוך תאי הסרטן, ומשמידים אותם בלבד | הדמיה: Science Photo Library

השמדת חיידקים

אחד השימושים המוקדמים ביותר של ננו-חומרים ברפואה הוא כחומרים אנטי-בקטריאליים, כלומר כאלה שהורגים חיידקים. מחקרים מצאו שננו-חלקיקים של חומרים מסוימים, ובמיוחד כסף ותחמוצת האבץ (ZnO), הם בעלי תכונות אנטי-בקטריאליות. הם פוגעים בחיידקים במגוון מנגנונים, אבל הרעיון הוא שעל פני השטח של החלקיקים נוצרים צורונים כימיים פעילים שפועלים על מעטפת התא של החיידק וגורמים לה נזקים בלתי הפיכים שמובילים בסופו של דבר למותו, מה שאינו קורה לתאי הגוף הרגילים.

ננו-חלקיקים של תחמוצת האבץ הוצעו כפתרון אפשרי לבעיה חמורה בבתי חולים בעולם המודרני – התפתחות חיידקים עמידים. בבתי חולים יש תנאים שמאפשרים לאוכלוסיות של חיידקים לשגשג, וחלקם מפתחים עמידות משופרת לאנטיביוטיקות סטנדרטיות. ננו-חלקיקים אנטי-בקטריאליים פועלים במנגנונים שונים מהאנטיביוטיקות המסורתיות ולכן הם מועמדים אידיאליים לטיפול מונע נגד החיידקים הללו.

במעבדתו של אהרון גדנקן מאוניברסיטת בר אילן פיתחו דרך יעילה לשלב ננו-חלקיקים בטקסטיל בקנה מידה תעשייתי, באופן שיאפשר להם להמשיך לקטול חיידקים גם אחרי כביסות מרובות בטמפרטורה גבוהה. מהבדים האנטי-בקטריאליים הללו אפשר לייצר מצעים למיטות בתי החולים וחלוקים לאנשי הסגל הרפואי, וכך לקדם את החזון של בתי חולים נקיים מזיהומים שמסכנים את החולים.

דוגמה נוספת לשימוש ביכולות האנטי-בקטריאליות של ננו-חלקיקים אפשר למצוא בכיוון שמטריד אנשים רבים – ריח גוף. מקור הריח החמוץ והלא נעים של זיעה אינו מהזיעה עצמה, אלא מהפרשות של חיידקים שניזונים ממנה. לשם כך דיאודורנטים רבים מכילים ננו-חלקיקי כסף, שהורגים את החיידקים באזורים מועדים לפורענות כמו בית השחי וכך מונעים את הריח הרע.

את אותו רעיון מנצלות גם חברות טקסטיל, שמשלבות בבדים שלהן ננו-חלקיקים, במיוחד בייצור גרביים. בזכות זה אפשר למצוא כיום בחנויות הבגדים גרביים שמונעים הצטברות של חיידקים וריח רע ברגליים.

גרביים כאלה אומצו בחום על ידי צבאות ברחבי העולם. אחרי הכול, חיילים פועלים לא פעם בתנאי שדה ואינם יכולים לחלוץ את הנעליים או להחליף את הגרביים שלהם למשך פרקי זמן ארוכים. הצטברות חיידקים בנעלי צבא עלולה לאורך זמן לגרום זיהומים שפוגעים בכשירות החיילים. גרביים קוטלי חיידקים מספקים פתרון מושלם לבעיה.

פתרון מועיל לחיילים וגם לאזרחים. ננו-חלקיקים עשויים לפתור את בעיית הריח בגרביים | צילום: Shutterstock

ועוד שימושים

לננוטכנולוגיה יש עוד מגוון שימושים רפואיים. בתחום האבחון, גלאים שמבוססים על ננוטכנולוגיה מאפשרים לזהות ברמת דיוק גבוהה כמויות זעירות של חומרים שמעידים על מצב רפואי בלתי תקין. את הגלאים הללו אפשר לשאת בקלות על הגוף וכך לאפשר ניטור רציף ומתמשך שיזהה מבעוד מועד מגוון תסמונות כשעוד אפשר לטפל בהן ביעילות, לפני שהן מתפתחות למצב רפואי מסוכן.

בעולם ההדמיה, מדענים מפתחים חומרים חדשים שיעבדו כסמנים ביולוגיים ויאפשרו לעקוב אחרי המצב הגופני בעזרת כלים כמו MRI ומיקרוסקופים מתוחכמים. התחום הזה משתפר בהתמדה ומספק הדמיה טובה יותר ברזולוציה גבוהה יותר ובצורה ממוקדת ומדויקת יותר מאי פעם.

במקביל מתפתחים עוד תחומים טכנולוגיים רבים נוספים – למשל פיתוח של חומרים ומערכות שמדמות מערכות תאיות כדי שנוכל לבצע מחקר ביולוגי על בסיס התקנים זעירים. קבוצות אחרות עובדות על פיתוח סביבה אידיאלית לגידול תאים ואפילו להדפסת תלת-ממד של רקמות מחוץ לגוף, מתוך שאיפה שנוכל בעתיד להשתיל בגוף האדם רקמות כאלה ואולי אף איברים שלמים שגודלו באופן מלאכותי.

יש כמובן עוד תחומי מחקר חדשים שיתפתחו בעתיד, למשל שימוש בננו-חלקיקים ללכידת חומרים מסוכנים, כיסוי שתלים בשכבה שמונעת את דחייתם או בניית ננו-רובוטים שיוכלו לבצע משימות ייעודיות בדומה לחלבונים (מכונות העבודה של הגוף). לפעמים נדמה שהדבר היחיד שמונע עוד פריצות דרך חשובות בממשק בין ננו-טכנולוגיה לרפואה הוא גבולות הדמיון והיצירתיות שלנו. כמו בכל נושא שמשלב בני אדם וטכנולוגיה, גם כאן עולות שאלות כלכליות ומוסריות שדורשות התייחסות, אבל אין ספק שמדובר באחד התחומים המעניינים, החשובים והדינמיים ביותר במדע העכשווי.

אם תתנו לדמיון שלכם לשוטט לרגע בעולם ה"כמעט מדע בדיוני" של הננו-רפואה, אולי תוכלו גם אתם להגות את הפיתוח הגדול הבא. אולי בעתיד ננו-רובוטים זעירים יוכלו למלא תפקידים ביולוגיים לפי הזמנה, כמו להגביר ייצור של הורמון מסוים, לשרוף תאי שומן או להשמיד תאים סרטניים. חומרים זעירים עושים דברים גדולים למען בריאות האדם, ויעשו עוד הרבה.