חדשות

הפיתוח הטכנולוגי הוא פרי שיתוף פעולה של מאגד (קונסורציום) אירופי בשם "טרנסלינק" (Translink) שכלל 14 שותפים מאירופה, ארה"ב וקנדה, בהובלת המעבדה של ד"ר ורד פדלר-קרוואני מבית הספר שמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב. במסגרת המחקר, החוקרים עקבו אחר דגימות של כ- 1700 חולים למשך תקופה שמכסה טווח רחב מיום לפני הניתוח ועד כ-15 שנה לאחריו.

החוקרים מסבירים כי לחולי לב רבים ישנה האופציה לבחור בין שני סוגי מסתמים לבביים: מסתמים מכניים (מלאכותיים) שמחזיקים זמן ממושך אך מצריכים נטילת תרופות נוגדות קרישה על בסיס יומי ואשר עשויים לגרום לדימומים מסכני חיים, או מסתמים ביולוגיים (שבנויים מרקמות של פרות, חזירים או סוסים) שמאפשרים לחולה לחיות חיים רגילים למדי אך מתכלים כעבור עשור ומצריכים את החלפתם.

לנטרל את הסוכרים הזרים

לדברי ד"ר פדלר-קרוואני, "מאחר שמסתמים ביולוגיים מכילים רקמות של בעלי חיים, ההיפותזה שלנו הייתה שייתכן שיש בהם סוכרים זרים לא הומניים שמהווים גורם שמערכת החיסון האנושית תוקפת, ולכן נוצרת ההסתיידות המובילה לקלקול השסתום. ואכן, במחקר שמתפרסם כעת הצלחנו להוכיח שזו הסיבה, ואף הצענו פתרון ישים. גילינו שבכל החולים שהושתל בגופם מסתם ביולוגי, מתפתחת תגובה חיסונית כנגד הסוכרים הזרים במסתם כבר מהחודש הראשון לאחר הניתוח. את העלייה הזו בנוגדנים ראינו באופן מובהק רק בחולים שהושתלו בהם מסתמים ביולוגיים. הסתבר ששני הסוכרים החשודים כמאיצי נוגדנים, הם אכן כאלה בבני אדם, וחלק מהחולים החלו לפתח הסתיידות כבר אחרי שנתיים מיום הניתוח".

אנו פול, פוסט-דוקטורנטית במעבדה, הראתה כי הסוכרים הזרים וכן הנוגדנים התוקפים אותם נמצאו גם על מסתמים ביולוגיים שהוצאו מחולים כ-10 שנים לאחר הניתוח הראשון לצורך החלפתם בשל ההסתיידות. בנוסף, גם על מסתמים אנושיים מקוריים שעברו הסתיידות, נמצא הסוכר הלא אנושי (Neu5Gc) וכן הנוגדנים כנגדו. מאחר שהסוכר הזה לא יכול להיות מיוצר בגוף האדם, הוא כנראה מצטבר על המסתמים כתוצאה מדיאטה עשירה בבשר אדום ומוצרי חלב שבה הוא נפוץ. יתכן, שתגובה חיסונית זו כנגד הסוכר מהדיאטה המצטבר בשסתום מהווה את הגורם הראשוני להסתיידות המסתם המקורי בלב החולים. החוקרים הראו גם בחיות מודל שבנוכחות נוגדנים כנגד הסוכרים נוצרה הסתיידות ברקמות שמהן מייצרים את המסתם הביולוגי, ואילו בהיעדר או ברמה נמוכה של נוגדנים לא נוצרה ההסתיידות.

בהמשך לכך, נבחנה האפשרות להסתייע בהנדסה גנטית לפתרון הבעיה. לשם כך, המאגד יצר חיות מודל מהונדסות גנטית כך שלא יבטאו את הסוכרים הזרים לאדם. במעבדה של ד"ר פדלר-קרוואני החוקרים מצאו בחיות מודל כי שימוש ברקמות מהונדסות ללא הסוכרים הזרים מפחית את ההסתיידות בצורה משמעותית, גם בנוכחות נוגדנים כנגד הסוכרים,  ולכן עשוי להגדיל את העמידות של מסתמי הלב בקרב חולים.

"מחקר זה מסמן כיוונים חדשים לפריצת דרך בתחום המסתמים והבנת המנגנונים המובילים לשחיקתם, והמסקנות מהמחקר יכולות להוביל לשיפור איכות חייהם של חולי לב רבים. מכאן אפשר גם להמשיך לחקור האם לצמחוניים או לאנשים שאוכלים רק מעט בשר וגבינות יש סיכוי נמוך יותר להסתיידות של מסתמי הלב, והאם זה עלול להיות מתווך על ידי רמה נמוכה של הנוגדנים כנגד הסוכרים הזרים. בעתיד אולי אף יהיה ניתן לחשוב על דיאטה מותאמת להפחתת הסיכון, או ממש לייצר מסתמים ביולוגיים מרקמות של החיות המהונדסות בהם אין את הסוכרים כלל", סיכמה ד"ר פדלר-קרוואני.

חברים נוספים בצוות הנהלת המאגד טרנסלינק הם רפאל מאנז, ז׳אן-כריסטיאן רוסל, ז׳אן-פול סולילו, ואמנואל קוצי (הקואורדינטור). תומס סנאז׳ ותיירי לה-טורנו מצרפת הובילו את הזרוע הקלינית של המחקר. במעבדה של ד"ר פדלר-קרוואני הובילה את המחקר אנו פול (כיום מתמחה באוניברסיטת הרווארד) יחד עם סלאם בשיר, ובסיועם של חוקרים וסטודנטים נוספים: שני לוויתן-בן-אריה, ליאנה גובאני, שרון יהודה, שירלי בכר אברמוביץ׳, רון אמון, אלירן משה ראובן ויפית עטיה-נסאגי.

המחקר נערך בהובלת הדוקטורנטית בר אפרתי ופרופ' רן ברקאי מהחוג לארכיאולוגיה ולתרבויות המזרח הקדום בפקולטה למדעי הרוח באוניברסיטת תל אביב, בשיתוף החוקרות ד"ר פלביה ונדיטי מאוניברסיטת טובינגן בגרמניה ופרופ' סטלה נונציאנטה צזארו מאוניברסיטת לה ספיאנצה באיטליה. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Scientific Reports מבית Nature.

וינטג' פרהיסטורי

הדוקטורנטית בר אפרתי מסבירה כי הימצאותם של כלים בעלי שני מחזורי חיים היא תופעה מוכרת באתרים פרהיסטוריים בכל העולם, אך לדבריה, תופעה זו מעולם לא נחקרה לעומקה. במסגרת המחקר, החוקרים התמקדו בשכבה אחת מהאתר רבדים שבדרום מישור החוף - אתר פרהיסטורי פתוח ורב-שכבתי בן כחצי מיליון שנה המשתרע על פני שטח נרחב. על פי מגוון ועושר הממצאים, החוקרים מעריכים שהיה זה מיקום מועדף בנוף שהאדם הקדום חזר אליו שוב ושוב בזכות שפע בעלי החיים, ביניהם פילים, שחיו בסביבה. כמו כן, באזור יש הרבה אבני צור גולמיות באיכות טובה, ואכן מרבית הכלים שנמצאו ברבדים יוצרו מצור טרי.

בר אפרתי: "השאלה הגדולה ששאלנו את עצמנו היא מדוע הם עשו זאת. מה גרם לבני אדם קדומים לאסוף ולעבד מחדש כלים שקודמיהם ייצרו והותירו בשטח שנים רבות קודם לכן. באתר רבדים ברור שהדבר לא נבע ממחסור בחומר גלם, שכן אבני צור מצויות באזור בשפע, ומרבית הכלים יוצרו מצור טרי. כמו כן הכלים שמוחזרו אינם ייחודיים או מתאימים במיוחד לשימוש מסוים, כך שלא נראה שיש לנוהג הסבר פונקציונלי בלבד".

צלקות בחומר חושפות את העבר

החוקרים מסבירים כי המפתח לזיהוי הכלים שעברו מיחזור ולהבנת ההיסטוריה שלהם היא הפטינה – שכבת בליה כימית שנוצרת על פני אבן צור כשהיא מונחת תחת כיפת השמים לאורך תקופה ארוכה, חשופה לשמש ולגשם, לחום ולקור. כך, לאחר שהאדם שייצר את הכלי נטש אותו, נוצרה עליו שכבת פטינה שקל לזהותה, והיא נבדלת בצבעה ובמרקמה באופן מובהק מצלקות שחושפות את הצור הטרי המקורי.

לאורך המחקר, החוקרים בחנו 49 כלים בעלי שני מחזורי חיים, כלים שניכר כי עוצבו לצורך שימוש בשלב הראשון והמקורי, ננטשו וכוסו בפטינה, וזמן רב לאחר מכן נאספו ועוצבו מחדש, כפי הנראה גם כן לצורך שימוש. העיצוב בשלב החיים השני הסיר את הפטינה וחשף את הצור הטרי מתחת לפטינה. לכל כלי, היו אם כן, שני קצוות פעילים שעוצבו לצורך שימוש. שני הקצוות הפעילים של כל כלי, הישן והחדש, נבדקו תחת שני סוגי מיקרוסקופים ובאמצעות שיטות כימיות, במטרה לאתר סימני שימוש ו/או שיירים אורגניים. ב-28 מהכלים נמצאו סימני שימוש על הקצוות הישנים ו/או החדשים, וב-13 כלים נמצאו על הקצוות החדשים שיירים אורגניים המעידים שהם באו במגע עם עצמות ושומן של בעלי חיים.

בנוסף, החוקרים הופתעו לגלות שבתקופות השונות שימשו הכלים לפעולות שונות מאוד: בעוד שהקצוות הישנים מעידים בעיקר על פעולת חיתוך, הקצוות החדשים מעידים דווקא על קרצוף (עיבוד חומרים רכים כמו עור ועצם). ממצא מרתק נוסף: אופי העיצוב של הכלי במחזור החיים השני היה מדויק ומינימלי, בקצה בלבד, כך שהכלי השתמר ברובו כפי שהיה כשיוצר לראשונה, עם הפטינה שכיסתה אותו, למעט הקצה הפעיל החדש המעוצב.

חפצים ממוחזרים למזכרת

"מממצאי המחקר אנו מעריכים כי תופעת המחזור בעולם הפרהיסטורי נובעת מהמשמעות שייחסו בני האדם לפריטים שיוצרו על ידי קודמיהם," אומר פרופ' רן ברקאי. "ניתן לדמיין אדם קדום שהלך בשטח לפני חצי מיליון שנה, וכלי אבן ישן צד את עינו, מונח על הקרקע 'כאבן שאין לה הופכין'. לפריט יש עבורו משמעות - זכר אבותיו שייצרו את הכלי או קשר למקום מסוים, והוא מרים אותו, הופך אותו בידיו, ומחליט לקחת אותו 'הביתה'. מאוחר יותר הוא מתבונן שוב בכלי, ממשש אותו ושמח בו, ומבין שאם ישתמש בו באופן יומיומי הקשר והזיכרון יישמרו ואף יתחזקו.

עם זאת, לאות כבוד ליצרן הראשון ולדורות הקודמים, ולצורך שימור הזיכרון שהפריט ממחיש, הוא מסתפק בעיבוד הקצה ומותיר את גוף הכלי כפי שהיה. למה הדבר דומה? אולי לחקלאי צעיר וחרוץ שעדיין חורש את השדה בטקרטור הישן שהיה של סבא-רבא שלו. הטרקטור חלוד, וחורק, אבל מכיר היטב כל תלם בשדה. החקלאי הצעיר מחליף פנס כאן או גומיה שם, אבל מקפיד לא לשנות את הטרקטור הישן והטוב ורואה בו המשכיות חשובה למסורת המשפחתית הארוכה וחלק משמעותי מהחיבור שלו אל הקרקע. למעשה, ככל שאנו מוסיפים לחקור את בני האדם הקדמונים אנו לומדים להעריך יותר אותם ואת תבונתם ויכולותיהם. יתרה מכך, אנחנו מגלים שוב ושוב שהם לא היו שונים כל כך מאיתנו. מהמחקר הנוכחי ניתן אולי להסיק כי יצר האספנות המקנן ברבים מאיתנו עתיק כימי האנושות, וכי כמונו אנו, אבותינו הקדמונים ייחסו חשיבות ומשמעות רבה לחפצים ישנים ושימרו אותם לאות זיכרון וקשר עם עולמות קדומים ועם מקומות חשובים בנוף."

מתוך ממצאי המחקר עולה כי הדאוטריום, שמופיע כגז בתנאי החדר, מסוגל לשנות את מצב הצבירה ל"על-מוצק" כאשר הוא מצוי בלחץ של 8 מיליון אטמוספירות וקרוב לטמפרטורת האפס המוחלט. המחקר נערך בשיתוף פעולה בין ד"ר צ'אנג-וו מיונג מאוניברסיטת קיימברידג', פרופ' מיקלה פרינלו מהמכון האיטלקי לטכנולוגיה בג'נובה וד"ר ברק הירשברג מבית הספר לכימיה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

הקיום של על-מוצקים נחזה לפני למעלה מ-50 שנים ברמה התאורטית והצית מחלוקת עזה בקרב פיזיקאים. אולם, לפני כחמש שנים הוכח קיומו באופן חד משמעי בניסויים על אטומים קרים לכודים. החוקרים אומרים כי הבנת המנגנונים העומדים בבסיס התהליך וגילוי על-מוצקים חדשים היא נושא מחקר שתפס תאוצה רבה בשנים האחרונות, ואפילו ביתר שאת מאז התצפית הניסיונית.

"כדי שחומר יזרום ללא חיכוך, מה שמכונה 'על-זורם', פונקציות הגל של האטומים המרכיבים אותו צריכות לחפוף כך שלא ניתן יהיה להבחין ביניהן יותר. ואם כך, נשאלת השאלה – כיצד יתכן שישמרו על הסדר המרחבי שמאפיין מוצקים?", מסביר ד"ר הירשברג.

"הסיבה היא כזו: במחקר גילינו כי הלחץ הגבוה מאלץ את אטומי הדאוטריום להתקרב ולהפוך למוצק בעל תכונות של מתכת. במתכת, שהיא שם נרדף לחומר מוליך, האלקטרונים של אטומי הדאוטריום דוחים זה את זה קצת פחות מאשר בחומר מבודד, מה שמאפשר לאטומים להתקרב עוד יותר. שתי תכונות אלה יחד, מעודדות את היווצרות העל-זורם. נוסף על כך, הראינו בהדמיות מחשב כי דאוטריום הופך לעל-זורם, אך גם שומר על המבנה הגבישי שלו באותה העת, וכך מתקבל מצב הצבירה המכונה על-מוצק. מעט מאוד תחזיות לקיום של חומרים על-מוצקים פורסמו עד כה, ובפרט בחומרים מציאותיים ומוכרים כמו דאוטריום", מוסיף ד"ר הירשברג.

^{זורם כמו נוזל, מסתדר כמו מוצק. חומר על-זורם}

למידת המכונה מתיידדת עם הכימיה

ההדמיות החישוביות שערכו החוקרים, התאפשרו באמצעות אלגוריתם חדש לתיאור מערכות קוונטיות מיוחדות שפיתח ד"ר הירשברג, במהלך שהותו כפוסט-דוקטורנט במכון הטכנולוגי הפדרלי של ציריך (ETH Zurich). בזכות אלגוריתם זה, המבוסס על תיאוריה שפיתח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, הצליח ד"ר הירשברג להפחית בצורה דרמטית את סך החישובים הנדרש לצורך הדמיית המערכת. בנוסף, כדי לתאר את תחום הלחצים והטמפרטורות הקיצוני, עשו החוקרים שימוש בכלים מתחום למידת המכונה ובכללם רשת נוירונים מלאכותית, לתיאור יחסי הגומלין בין האטומים בחומר.

"השימוש בלמידת מכונה עבור הכוחות המולקולריים הוא כיוון מבטיח בכימיה חישובית. התחזית התאורטית שאנו מספקים במאמר החדש פותחת אופקים חדשים, מכיוון שתחום הלחצים והטמפרטורות הרלוונטי יוכל להיבדק בעתיד הקרוב בניסוי. מעבר לכך אנו צופים כי התובנות שהופקו מהמחקר יהיו בעלות חשיבות גם באיתור על-מוצקים בחומרים נוספים", מסכם ד"ר הירשברג.

^{ד"ר ברק הירשברג}