לגדל עין משלך

בקיצור

• התהליך שבו תאי גזע עובריים מתמיינים ומתפתחים לכלל איברי הגוף, מוסיף לסקרן ולרתק את הקהילה המדעית.
• קבוצת חוקרים מובילה מיפן הראתה כי אפשר לגדל רשתיות של עכברים ושל בני אדם בצלחת תרבית במעבדה.
• התהליך מספק מידע חשוב על התפתחות המוח העוברי ויכול להוביל לפיתוחם של טיפולים חדשניים למחלות של מערכת הראייה.

במהלך ההתפתחות העוברית, כדור של תאים זהים מתמיין לתאים מסוגים שונים היוצרים, בסופו של דבר, מבנים סדורים ולאחר מכן את כל מגוון האיברים של הגוף האנושי. התהליך מתקדם לפי תכנית ביולוגיות מובנית המבטיחה שהמבנה של כל אחד מן האיברים יהיה בדיוק בצורה ובגודל התקינים.

מדענים המכירים את תהליך ההתפתחות העוברית, תהליך שבו חלקים פשוטים הופכים למבנים מורכבים, חשו כלפיו תמיד תחושת פליאה המעורבת ברצון לחקותו במעבדה – הן כדי להיטיב להבין את התהליך עצמו, והן כדי לתרגם את המידע הזה לדרך לתקן או להחליף רקמות פגועות. ככל הנראה, זמנם של מדענים אלה הגיע סוף-סוף. התפתחויות חדשות בהבנת התהליך הסבוך של ההתפתחות העוברית מעניקות תקווה כי איברים להחלפה שגודלו מחוץ לגוף ימצאו את מקומם בחדר הניתוחים כבר בתוך עשור.

מקורה של האופטימיות שבה אני שרוי היא במחקרים שנעשו במעבדתי על תאי גזע המסוגלים להתמיין לסוגי תאים שונים. הראנו שאפילו תאי גזע שגודלו בתרבית רקמה במעבדה יכולים ליצור רשתית מלאכותית, אחד מן החלקים המרכזיים של העין שמתרגם את האור מן העולם החיצון לשדרים כימיים וחשמליים המועברים למוח. כמו כן, עמיתי ואני גידלנו רקמה של קליפת המוח וגם חלק מבלוטת יותרת המוח. לשם ביצוע סדרת הניסויים האלה, השתמשנו בידע ההולך ונבנה על מערכת האיתות הכימי המובנית של הגוף. בעזרת מערכת אותות אלו, גרמנו לשכבה שטוחה של תאים נפרדים להפוך בצלחת פטרי למבנה תלת-ממדי בעל קו מתאר מוגדר. בהתאם לאותות כימיים אלה, בנו תאי הגזע העובריים באופן עצמאי את הרשתית. התוצאה הזאת מספקת תקווה כי רשתיות מלאכותיות שייוצרו בדרך דומה יוכלו לשמש לטיפול בכמה ליקויי ראייה, ובהם ניוון כתמי (macular degeneration).

תאים צפים

כשהתחלנו לנסות לגדל רשתית במעבדתי, ביקשנו לענות על שאלות בסיסיות לגבי הדרך שבה היא נוצרת. ידענו שהרשתית נוצרת מחלק של המוח העוברי המכונה מוח הביניים. במהלך ההתפתחות העוברית המוקדמת, חלק ממוח הביניים מתרחב ויוצר מבנה דמוי בלון המכונה הבועית האופטית. כעבור פרק זמן כלשהו מתקפלת הבועית פנימה ויוצרת את הגביע האופטי, ההופך, בסופו של דבר, לרשתית.

זה יותר ממאה שנה מדענים החוקרים את התפתחות המוח חלוקים בשאלה מהו המנגנון המדויק שמוביל ליצירת הגביע האופטי. אחת מן השאלות החשובות בתחום, ועם זה הפחות מובנת, היא מהו תפקידם של מבנים סמוכים כמו העדשה והקרנית ביצירת הגביע האופטי. יש מדענים הטוענים שהעדשה דוחפת באופן פעיל את הרשתית כדי שזו תקבל את צורתה הקעורה, ואילו אחרים טוענים שהגביע האופטי יכול להיווצר אף ללא עזרתן של רקמות העדשה הסמוכות.

מכיוון שקשה מאוד לערוך תצפיות בבעלי חיים במהלך התפתחותם, החליטה קבוצת המחקר שלי, לפני כעשר שנים, לנסות ללמוד יותר על התפתחות העין במנותק משאר הגוף, על ידי גידול תאי גזע בצלחת תרבית, חשיפתם לכימיקלים הקשורים ליצירת העין וצפייה במתרחש. תאי גזע עובריים הם התאים בעלי פוטנציאל ההתמיינות הגבוה ביותר. למעשה, הם יכולים להתפתח לסוגי תאים המרכיבים כל אחת מן הרקמות הרבות בגוף, מתאי עצב ועד תאי שריר.

בזמנו, לא היו אמצעים לגידול בתרבית של רקמות מתאים יחידים. ניסיונות מוקדמים לבניית איברים מתאים יחידים התבססו על שיטה שבה תאי הגזע נזרעים על גבי שלד מלאכותי בצורת איבר מסוים כמו למשל בצורת שלפוחית השתן או הוושט. לשיטה זו של הנדסת רקמות הייתה הצלחה חלקית בלבד בגידול איברים. משום כך, החלטנו לחפש שיטה אחרת. כתרגיל מקדים לפיתוח שיטה חלופית להנדסת רקמות, פיתחנו בשנת 2000 שיטה להפוך תאי גזע עובריים של עכברים לתאי עצב מסוגים שונים בתרבית. לאחר מכן, הנחנו שכבה יחידה של תאי גזע עובריים של עכבר על צלחת תרבית יחד עם תאים "מזינים" שמפרישים כימיקלים המשמשים אות לתאי הגזע להתחיל להתמיין. מובן שהבנו ששכבה יחידה אינה מעמידה מודל לאיבר אנושי שלם בעל מבנה תלת-ממדי מוגדר, אך ביקשנו לבדוק אם במערכת האיתות הכימית העצמית של התאים יהיה די לגרום להם להתמיין לסוגים מיוחדים של תאי עצב המאפיינים את שלבי ההתפתחות המוקדמים של העין.

תחילה לא נחלנו הצלחה, אך ב-2005 הייתה לנו פריצת דרך טכנית כשמצאנו דרך להתגבר על המגבלות הדו-ממדיות של הטכנולוגיה שבה השתמשנו במעבדה לגידול תאי גזע, על ידי כך שאפשרנו לתאים לצוף בתרבית. התחלנו להשתמש בתרבית תלת-ממדית זו, המכונה תרבית צפה, מסיבות שונות. ראשית, מכיוון שצבר תלת-ממדי של תאים יכול ליצור רקמה בעלת טופולוגיה מורכבת ביתר קלות משיכולה יריעת תאים שטוחה. שנית, מכיוון שבשביל לבנות מבנה מורכב צריך כל תא לתקשר עם תאים אחרים, תרבית תלת-ממדית, המקלה על אפשרויות התקשורת בין התאים, עדיפה מתרבית דו-ממדית.

כדי לממש את הרעיון הזה, הצפנו תאים יחידים בטיפות זעירות של נוזל תרבית בבאריות שבצלוחית מעבדה. גילינו שהתאים שגדלו באותה בארית החלו להיצמד זה לזה. את הצברים שנוצרו, כ-3000 תאים בממוצע בכל בארית, היה אפשר לכוון כך שיתמיינו לתאי אב של תאי עצב (תאי עצב לא בשלים) מן הסוג המצוי בקדמת המוח המתפתח. בשלב הבא, החלו התאים לשלוח אותות זה לזה, ולאחר שלושה-ארבעה ימים התארגנו באופן ספונטני לצורה של כדור חלול שנוצר מיריעה חד-שכבתית של תאים המכונה נוֹירוֹאֶפּיתֶליום. השיטה הזאת להכנת יריעות תאים, כונתה בפינו בשם תרבית SFEBq.

בעובר, תאים של הנוירואפיתליום יוצרים בסופו של דבר מבני מוח ספציפיים לאחר שקיבלו אותות כימיים שמקורם מחוץ לתאים. אחד מן האותות האלה מוביל ליצירת מוח הביניים, שלאחר מכן מתפתח לרשתית ולהיפּוֹתָלָמוּס, האזור במוח האחראי לתיאבון ולכמה תפקידים גופניים בסיסים חשובים נוספים. לאחר שגרמנו לתאים ליצור כדורים במעבדה, ניסינו לגרום להם להמשיך את תהליך ההתמיינות וליצור את תאי האב של הרשתית, תאים שמהם מתפתחים תאי הרשתית הבוגרים, על ידי הוספת קוקטייל חלבונים לתרבית ה- SFEBq (קוקטייל המורכב מאותם כימיקלים האחראים להתפתחות העין בעובר).

לאחר שכדורי התאים המשיכו לגדול בתרבית הצפה במשך כמה ימים נוספים, החלה רקמת תאי אפיתל הרשתית לבלוט החוצה באופן ספונטני ולהיפרד משאר הכדור. כתוצאה מכך נוצר מבנה דמוי הבועית האופטית. יותר מזה, הבועית שינתה את צורתה באופן ספונטני: תאי האפיתל שנמצאו בחלק החיצוני של הכדור התקפלו פנימה. תנועה זו יצרה צורה דמוית כוסית ברנדי הדומה לגביע האופטי של העין העוברית. כמו אצל עוברים חיים, הגביע האופטי שנוצר מתאי הגזע העובריים הכיל שני דפנות: הדופן החיצוני של תאי אפיתל, והדופן הפנימי של הרשתית עצמה.

די היה בעצם ההתקבצות של תאי גזע נפרדים לכדי צבר בתרבית ליצור מבנה סדור, תוצאה בולטת לעין, תרתי משמע. ואולם, בשונה מתהליך התפתחות העין בעובר, לא נוצרה עדשה או קרנית סמוך לגביע האופטי. ממצא זה סיפק תשובה ברורה לשאלה הוותיקה, אם יש צורך בכוחות חיצוניים מרקמות סמוכות, כמו רקמת העדשה, כדי להתחיל ליצור את הרשתית. יצירת הרשתית, לפחות במבחנה, היא תהליך המאורגן באופן עצמאי על פי תכנית פנימית של תאי הגזע עצמם.

לרבד את הרשתית

תהליך התפתחות נורמלי, בדומה לזה הנצפה בעובר, המשיך להתרחש בצלחת המעבדה. כשהמשכנו לגדל את הגביע האופטי בתרבית הצפה עוד שבועיים, גדלה הרקמה למבנה בעל קוטר של כ-2 מילימטרים, והמבנה החד-שכבתי של תאי אפיתל הרשתית הפך להיות למבנה מרובד המורכב מ-6 סוגי תאים, בדומה למתרחש בעובר. המבנה הרב-שכבתי מורכב משכבה חיצונית של תאים קולטי אור, ושכבה פנימית של תאי גנגליון המקשרים את הרשתית למוח. בין שתי השכבות האלה מצויות כמה שכבות של תאים מקשרים המכונים תאי ביניים עצביים. בדומה להתפתחות הגביע האופטי, התרחשה התפתחותו של המבנה הרב-שכבתי על פי תכנית פנימית שקבעה איזה סוג של תאים ייווצרו ואיך יתארגנו בחלל.

על אף ההצלחה שידענו, עבודתנו טרם הסתיימה. עדיין עומדות שאלות לגבי הדרך שבה נוצר הגביע האופטי, וכיצד כדור של תאים יוצר תבנית מאורגנת. יצירה ספונטנית של צורה מורכבת מתוך גוש אחיד של חומר קרויה שבירת סימטריה, מדובר בתהליך המתרחש פעמים רבות במהלך ההתפתחות העוברית. אלמלא שבירת הסימטריה, חלוקות חוזרות ונשנות של הביצית המופרית לא היו מייצרות אלא גוש תאים בלתי ממוינים. תרבית תאי הגזע שלנו המתארגנת באופן עצמאי יכולה לשמש מודל ניסויי אידאלי להבנת המנגנונים החמקמקים של התהליך הזה במהלך ההתפתחות העוברית של יונקים.

עוד שאלה עקרונית היא השאלה: "כיצד תאי האפיתל של הרשתית, שהיו בשלב הראשון רק שכבה יחידה של תאים, מתכנתים את יצירתו של הגביע האופטי?" ידוע כי כוחות מכניים ושינויים בקשיחות התא גורמים לתאי אפיתל להתמיין. מדדנו את כיוון הכוח המופעל על התאים ואת קשיחות הרקמה בחלקים שונים של שכבת האפיתל במהלך התפתחות הגביע האופטי במבחנה, ומצאנו כי תהליך מדורג של שלושה שלבים מוביל ליצירת מבנה הרקמה המורכב. במהלך התפתחות הגביע האופטי, הקשיחות של הרשתית קטנה, ולפיכך גמישותה גדלה. באותו הזמן, תאים המצויים בין שכבת האפיתל ובין הרשתית מקבלים צורה של טריז. לבסוף, הרשתית מתחילה להתקפל פנימה בעקבות התרחבותה המהירה. שלושת השלבים האלה הכרחיים לשם יצירת הגביע האופטי. למעשה, כשנבדקו התנאים המאפיינים תהליך זה באמצעות הדמיית מחשב, נוצרה הצורה המוכרת של כוסית ברנדי.

לראות ברור

מובן שאנשים השומעים על מחקרנו בתאי גזע עובריים של עכברים רוצים לדעת אם בסופו של דבר המחקר הזה יוכל לעזור במחלות של מערכת הראייה. גם בכיוון הזה נחלנו הצלחה מסוימת. בייחוד יש לציין כי לאחרונה דיווחנו על יצירה מוצלחת של גביע אופטי ורקמה עצבית רב-שכבתית מתאי גזע עובריים אנושיים. אפשר לצפות כי בדרך דומה, בעזרת אותה שיטת תרבית, נוכל לגדל רשתית מתאי גזע מושרים בעלי פוטנציאל רב-התמיינותי (פְּלוּריפּוֹטֶנְטיים), תאים בוגרים שעברו תהליך התפתחות הפוך המאפשר להם להתנהג כמו תאי גזע עובריים. כמו כן, פיתחנו תהליך הקפאה שיכול לשמר רקמת רשתית אנושית, שהתפתחה מתאים עובריים, בתוך חנקן נוזלי.

הפיתוחים האלה מוליכים אותנו לקראת פיתוח יישומים רפואיים לריפוי רקמות הרשתית. כך למשל, ייתכן שנוכל לפתח רשתיות מלאכותיות שיאפשרו לחוקרים להיטיב להבין פתולוגיות של כמה מחלות של העין ולפתח תרופות חדשות וטיפולים גנטיים שיוכלו לעצור את הידרדרותה של הרשתית.

מחקרנו יכול להועיל לטיפול בשלוש קטגוריות של מחלות ניווניות של הרשתית: ניוון כתמי, רטיניטיס פיגמנטוזה וגלאוקמה (בַּרקית), שלוש מחלות הפוגעות במיליוני אנשים ברחבי העולם. כל מחלה יוצרת בעיה בשכבה אחרת של הרשתית. בניוון כתמי, שלמותו של האפיתליום נפגעת עקב פגיעה ברקמה התומכת. פגיעה זו מובילה להידרדרות של התאים קולטי האור, בייחוד במרכז הרשתית. ברטיניטיס פיגמנטוזה, מספר קולטני האור המכונים קנים הולך ופוחת במהלך השנים. התסמין הראשון השכיח ביותר של המחלה הוא “עיוורון לילה". לאחר מכן החולה מאבד את רוב שדה הראייה שלו, למעט אזור קטן במרכז. לבסוף, גלאוקמה פוגעת בתאי הגנגליון, המקשרים בעזרת עצב הראייה בין הרשתית לבין אזור עיבוד הראייה בחלקה האחורי של קליפת המוח.

מבין שלוש המחלות, הטיפול בניוון כתמי על ידי החלפת תאים נראה האפשרי ביותר. תאי גזע עובריים אנושיים ותאי גזע מושרים פְּלוּריפּוֹטֶנְטיים יכולים ליצור בדרך פשוטה יחסית את השכבה התומכת, הידועה בשם אפיתליום של פיגמנט הרשתית, הן כשהם גדלים בתרבית רגילה והן כשהם גדלים בתרבית הצפה שפיתחנו. יותר מזה, אפשר להפריד שכבת תאים זו מתוך התרבית באופן ישיר. ניסויים קליניים ראשוניים בהשתלת שכבת תאים זו כבר החלו בארה"ב, וניסויים דומים מתוכננים בארצות אחרות. במסגרת הניסויים הקליניים האלה תאי אפיתליום של פיגמנט הרשתית שגודלו מתאי גזע מוזרקים בעזרת מחט דקיקה למרווח שבין שכבת האפיתליום של הפיגמנט לשכבת התאים קולטי האור בעין, במטרה להחליף לפחות חלק מן הרקמה הפגועה.

תרפיה תאית לרטיניטיס פיגמנטוזה דורשת פיתוחים טכנולוגיים נוספים לפני שיהיה אפשר להשתמש בה לטיפול בבני אדם. שלא כמו בתרבית תאים רגילה, השיטה שפיתחנו מאפשרת ליצור שכבת תאי קנים דחוסה שיכולים לשמש להשתלה. ואולם, עלינו להשיג עוד יעד חיוני לפני ששתל של התאים האלה יוכל לשפר את הראייה. שלא כמו השכבה התומכת הפשוטה של תאי האפיתל, קולטני האור צריכים להשתלב בתוך המעגל העצבי של העין; בייחוד, הם צריכים להיקשר מחדש לסוג נוסף של תאי חישה: התאים הדו-קוטביים. ואולם, כיום עדיין איננו יודעים כיצד לגרום לכך שהקישור ייעשה בדרך יעילה. אם תפותח שיטה מתאימה, יהיה אפשר להשתמש, ככל הנראה, בהשתלת תאים קולטי אור כדי להשיב לפחות חלק מכושר הראייה ברטיניטיס פיגמנטוזה חמורה.

לעומת זאת, גלאוקמה היא ככל הנראה המחלה הקשה ביותר לטיפול באמצעות השתלת רקמה. תרבית של תאי גזע עובריים יכולה לייצר תאי גנגליון הדרושים לטיפול במחלה. ואולם, בעין הבוגרת אין גדילה מחודשת של עצב הראייה, ועדיין אין יודעים כיצד לגרום לאקסונים של תאי עצב הראייה (ענפי התא ששולחים שדרים חשמליים למוח ויוצרים את העצב האופטי) להתחבר מחדש לתאים חדשים.

גילינו שרקמות שנוצרו מתאי גזע עובריים יכולות להתפתח לרמת מורכבת גבוהה הרבה יותר ממה שאפשר להשיג באמצעות שיטות מקובלות אחרות של הנדסת רקמות שבהן התאים ממוקמים על גבי שלד מלאכותי בצורת שכבה של עור או של שלפוחית השתן. כמדענים, עלינו ללמוד בסבלנות ובצניעות מה יכולים תאים שהתפתחו במעבדה ללמד אותנו על התהליך המורכב שמוביל מתא יחיד ליצירה של איבר מורכב כמו העין.

לקריאה נוספת