בפיתוח: רובוט חיידקי
שיילחם בסרטן

מה קורה כשהטכנולוגיה והביולוגיה נפגשים? פיתוח חדש עשוי להוביל בעתיד לטיפול יעיל יותר במחלות סרטניות. הטיפול כולל חיידקים רובוטיים שנושאים עליהם נשק אנטי-סרטני יקר ערך היישר אל הגידול הסרטני. כשהם מגיעים ליעדם הם מפעילים את מערכת החיסון נגד הגידול, ובמקביל משחררים תרופות כימותרפיות שפוגעות באופן ממוקד רק בתאים הסרטניים.

מדענים ממכון מקס פלנק למערכות תבוניות בגרמניה והמכון להנדסה ביו-רפואית בשווייץ, שילבו בין הנדסה ורובוטיקה לביולוגיה כדי ליצור בני כלאיים של חיידקים ורובוטים זעירים. החוקרים חיברו מבחוץ לחיידקי אשריכיה קולי (E. coli) שני רכיבים מלאכותיים זעירים. הראשון מורכב מכמה ננו-חלקיקים מגנטיים שאורכם כמאה ננומטר (0.0001 מילימטר), וכשחושפים אותם לשדה מגנטי הם מאיצים את מהירות התנועה של החיידקים, שנעים גם באופן עצמאי בעזרת שוטונים. השדה המגנטי מאפשר להוביל את החיידקים ישירות אל הגידול הסרטני.

הרכיב השני כולל בועיות שומניות זעירות בקוטר של כמאתיים ננומטר, המכילות תרופות כימותרפיות – חומרים שמטרתם להרוג את התאים הסרטניים או לעכב את התפתחותם. הבועיות הללו בנויות כך שכאשר חושפים אותם לקרינה תת-אדומה הן מתפרקות ופולטות את תכולתן. כך אפשר לוודא שהתרופה תשתחרר רק באזור הגידול.

שילוב של חלקיקים מגנטיים ובועיות של תרופות. איור של החיידקים המהונדסים | מקור: MAX PLANCK INSTITUTE FOR INTELLIGENT SYSTEMS, Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022) 

רובוטים ביולוגיים

כבר למעלה ממאה שנה משתמשים בחיידקים לטיפול בגידולים סרטניים. יש חיידקים שהם שחיינים מצטיינים ומסוגלים לנוע בתוך נוזלים ואפילו דרך רקמות צמיגות מאוד כמו רקמת הגידול. בנוסף, חיידקים מסוימים נוטים להימשך באופן טבעי לאזורים שמתאפיינים בחומציות גבוהה ובמעט חמצן, כפי שמתרחש בסביבת הגידול. יתרה מזאת, מעצם הימצאותם ליד הגידול הם מעוררים את מערכת החיסון לפעול נגדו.

בעבר נהגו להזריק חיידקים לאזור הגידול, שם הם התרבו ועוררו את התגובה החיסונית. אבל בדרך כלל השיטה לא הייתה יעילה מספיק. בעשורים האחרונים חוקרים מחפשים דרכים לשפר את הצלחת הטיפול.

הצמדת רכיבים מלאכותיים לחיידקים היא משימה לא פשוטה. במחקר החדש הצליחו לחבר גם בועיות וגם חלקיקים מגנטיים כמעט ל-90 אחוז מהחיידקים. לאחר מכן ניסו החוקרים את כוחם בניווט תנועת החיידקים בעזרת שדות מגנטיים מבעד למגוון רב של מבנים קטנים שיצרו במעבדה כדי לדמות גידול סרטני. אחד המבנים הללו, לדוגמה, כלל תעלה זוויתית בצורת האות ר' שבקצותיה הותקנו צברים תלת-ממדיים של תאים המדמים גידול סרטני. כמו כן ניווטו את החיידקים דרך גידולים זעירים שגידלו במעבדה ובתוך מערך של תעלות צרות דמויות כלי דם זעירים. בעזרת השדה המגנטי שלטו החוקרים בצורה מדויקת בתנועת המיקרו-רובוטים החיידקיים נושאי התרופות והובילו אותם היישר אל מצבורי התאים דמויי הגידול.

המיקרו-רובוטים הצליחו לפלס דרך גם בתוך שכבות עבות של ג'ל קולגן ברמות צמיגות שונות, החל בג'ל רך וכמעט מימי וכלה בג'ל נוקשה המחקה את רקמת הגידול. ככל שהקולגן קשה יותר, רשת סיבי החלבון שהוא יוצר חזקה יותר ולחיידקים קשה יותר לעבור דרכה, אך בעזרת השדה המגנטי הצליחו החיידקים לעבור אפילו דרך הסיבים הקשים והצפופים ביותר. 

המיקרובוטים הצליחו לפלס דרך גם בשכבות עבות של ג'ל צמיגי | איור: MAX PLANCK INSTITUTE FOR INTELLIGENT SYSTEMS, Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022) 

תותחי לייזר

כשהרובוטים הזעירים הגיעו לנקודת המטרה, החוקרים שיגרו לעברם קרן לייזר תת-אדומה בטמפרטורה של עד 55 מעלות צלזיוס. הקרן גרמה לבועיות להתפרק, והן פלטו את התרופות הכלואות בתוכן על התאים הסרטניים והרגו אותם. החוקרים גם הבחינו כי הבועיות נטו להתפרק באופן ספונטני אפילו בלי חשיפה ללייזר, פשוט בתגובה לסביבה החומצית של הגידול.

אף שמדובר בטיפול מבטיח, השיטה נמצאת עדיין בחיתוליה ונבדקה עד כה רק בסביבה מבוקרת במעבדה. בשלב הבא יצטרכו לבחון שהרובוטים החיידקיים הזעירים פועלים ביעילות גם נגד גידולים סרטניים בגופם של עכברים חיים, ושהיא בטוחה לשימוש, למשל מבחינת ההשלכות של הזרקת החיידקים הרובוטיים לגוף או השפעת החימום ל-55 מעלות צלזיוס. יש עוד דרך ארוכה לעבור לפני שאפשר יהיה לבדוק אותה על בני אדם.

הרעיון של שימוש בננו-חלקיקים כמו טילים ביולוגיים שיביאו את התרופה בדיוק ליעדה, תוך מזעור הנזק לאיברים בריאים, הוביל חוקרים רבים לבחון את השימוש באסטרטגיה זו לטיפול בסרטן. ואכן 65 אחוז מהניסויים הקליניים המשתמשים בננו-חלקיקים מתמקדים בסרטן. למרות זאת, רוב הניסויים שנעשו במערכות ננו כאלה הוגבלו לבעלי חיים, ומהמעטות שהתקדמו לשלבים של ניסויים קליניים ‒ רובן נכשלו, למרות המאמץ העצום והמשאבים הרבים שהושקעו עד כה.

אם בסופו של דבר השיטה תבשיל לכדי טיפול מעשי, יהיו לטיפול כזה יתרונות רבים על פני שיטות הטיפול הקיימות. כיום, תרופות כימותרפיות מועברות באמצעות מחזור הדם, שמפזר אותן בכל רחבי הגוף כך שרוב החומר הפעיל כלל לא מגיע לגידול. נוסף על כך, התרופות פוגעות גם בתאים בריאים. תאים סרטניים מתחלקים בקצב מהיר ולכן הם הניזוקים העיקריים מהתרופות הללו, שתוקפות בעיקר תאים בעת התרבותם. עם זאת, הטיפול פוגע מאוד גם בתאים בריאים שקצב החלוקה שלהם מהיר, כמו תאי מוח עצם ותאי עור וריריות, דבר שיוצר תופעות לוואי קשות ואף מסכנות חיים.

מכיוון שהרובוטים החיידקיים יוכלו להוביל את התרופה הכימותרפית ישירות אל הגידול הסרטני, השימוש בהם יצמצם מאוד את הנזק שייגרם לרקמות בריאות, ולכן גם את תופעות הלוואי. עלות הפיתוח האדירה והסיכונים הבטיחותיים ארוכי הטווח הכרוכים בשימוש בחיידקים, עלולים לעכב את המשך הפיתוח. אך אם המדע יצליח להתגבר על כל הקשיים, אולי בעתיד נראה מיקרו-רובוטים מבוססי חיידקים מסייעים למלחמה בסרטן ולשיפור איכות חייהם של המטופלים.