חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון בנגב הצליחו לפתח שיטה חדשנית לשדרוג תאי T - לוחמי מערכת החיסון – כך שיזהו וישמידו תאים סרטניים ביתר דיוק ויעילות. השיטה מבוססת על ייצור ננו-מבנים המדמים את הסביבה הטבעית של מערכת החיסון, תוך שימוש בטכנולוגיות מתקדמות מעולם ייצור השבבים. ממצאי המחקר, שפורסמו בכתב העת Advanced Materials, מקרבים צעד נוסף את האפשרות לטיפול אישי ואפקטיבי יותר במלחמה בסרטן.
בעשור האחרון טיפולים אימונותרפיים הצליחו לעשות את מה שבעבר היה נדמה כבלתי אפשרי – לרתום את מערכת החיסון של המטופל באופן אקטיבי למלחמה בתאי הסרטן. אמנם מערכת החיסון שלנו נועדה להגן עלינו מזיהומים על ידי תקיפת תאים נגועים או חולים, אך עם זאת, תאים סרטניים מצליחים לעיתים קרובות "לרמות" את מערכת החיסון על ידי העמדת פנים שהם תאים בריאים, ובכך להשבית מנגנוני תקיפה של תאי מערכת החיסון.
4 צפייה בגלריה
"התאים עוברים תהליך אימון מחוץ לגוף שבו מכשירים אותם לזהות ולהרוג תאי סרטן"
( צילום: דני מכליס)
"זה לא כמו בקטריה או תא נגוע וירוס שנכנס לגוף ומערכת החיסון מיד מזהה אותם ויודעת להתמודד", מסביר פרופ' מארק שוורצמן מהמחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן גוריון, מצוות החוקרים הראשי של המחקר, "פה זה כמו פושע שמתחפש לאזרח חוק ואי אפשר לדעת".
אלא שבשנים האחרונות פותח טיפול חדשני המסייע למערכת החיסון להילחם בסרטן בצורה יעילה יותר. טיפול זה כרוך בבידוד של תאי T, שהם "החיילים הקרביים" של מערכת החיסון, מהדם של חולה, ותכנותם מחדש במעבדה כדי לזהות ולהשמיד טוב יותר תאים סרטניים.
פרופ' מארק שוורצמן: "תאי T - תאי דם לבנים ממשפחת הלימפוציטים - מהווים חלק מאוד חשוב במערכת החיסונית. אמנם הם מתקשים לזהות מתוך הרבה מאוד תאים ורקמות בריאים את תאי הסרטן, אך כשהם מהונדסים, הם עוברים תהליך אימון מחוץ לגוף שבו מכשירים אותם לזהות ולהרוג תאים סרטניים"
במהלך תהליך התכנות מחדש, תאי ה-T מופעלים באופן דומה להפעלה שלהם בגוף בעת זיהום, ומהונדסים גנטית כדי לייצר קולטנים מיוחדים על פני השטח שלהם הנקראים קולטני אנטיגן כימריים – chimeric antigen receptors (CAR), שבאמצעותם תאי T מהונדסים מזהים תאי סרטן מסוגים ספציפיים. לאחר הגדלת הכמות של התאים המתוכנתים מחדש, המכונים כיום תאי CAR T, מוזרקים תאים אלה בחזרה לדם, שם הם פועלים בדיוק מרבי, מוצאים ומשמידים תאי סרטן שמערכת החיסון הטבעית עלולה להתעלם מהם.
"בביולוגיה המשמעות של המילה 'כימרה' היא לקחת איזשהו גוף, אפילו תא ולחבר אותו לחלקים שהם לא החלקים האורגניים שלו", מסביר פרופ' שוורצמן. בטכנולוגיה של תאי CAR T, לוקחים תאי T - תאי דם לבנים ממשפחת הלימפוציטים שמהווים חלק מאוד חשוב במערכת החיסונית, אפשר לדמות אותם לשוטרי הרחוב שמפטרלים ונותנים את קו ההגנה המרכזי. אמנם כאמור אותם תאים מתקשים לזהות מתוך הרבה מאוד תאים ורקמות בריאים את תאי הסרטן, אך כשהם מהונדסים והופכים לתאי CAR T, הם עוברים תהליך אימון מחוץ לגוף שבו מכשירים אותם לזהות ולהרוג תאי סרטן".
איך זה קורה?
"תאי T במצב רגיל הם רדומים. בשביל שהם יהיו פעילים הם צריכים לקבל איזשהו סיגנל של הכרה של האנטיגן שהם אמורים לזהות ואז הם מתעוררים", מסביר פרופ' אנג'ל פורגדור מהמחלקה למיקרוביולוגיה, אימונולוגיה וגנטיקה באוניברסיטת בן גוריון, מצוות החוקרים הראשי של המחקר.
4 צפייה בגלריה
צילום מיקרוסקופ אלקטרוני של תאי T שהנדסו החוקרים נגד סרטן
( צילום: אוניברסיטת בן גוריון)
"אנו מהנדסים אותם גנטית כך שעל פני השטח שלהם יהיו קולטנים שדרכם הם יזהו תאי סרטן ספציפיים. באמצעות הקולטנים הסינתטיים שהנדסנו הם יודעים לזהות תאי סרטן וככה הם מקבלים איזשהו כלי מלאכותי שלתא T רגיל בגוף אין. באמצעות הכלי הזה הם יודעים לזהות ולהרוג סרטן".
תאים שלא מתעייפים
טיפול בתאי CAR T נחשב למהפכה בריפוי סרטן, ומציע מספר יתרונות על פני כימותרפיה מסורתית. הוא מספק מיקוד מדויק של סוגי סרטן ספציפיים, משתמש בתאי החיסון של החולה עצמו לטיפול מותאם אישית, ומוכיח הצלחה יוצאת דופן בטיפול בסוגי סרטן דם, כמו לוקמיה ולימפומה, שלעיתים קרובות אינם מגיבים לטיפולים קונבנציונליים. אך עם זאת, למרות ההבטחה הגלומה בו, הטיפול בו עדיין מוגבל. אחת הסיבות המרכזיות היא אורך הפעולה הקצר של תאי CAR T, שמותשים במהרה לאחר הזרקה לדם של המטופל.
פרופ' אנג'ל פורגדורצילום: דני מכליס"תחשוב על חייל שאתה לוקח אותו ומעביר אותו סדרת אימונים מאוד קשה. אתה מלמד אותו הרבה דברים חדשים, אך הוא כל כך עייף שהוא לא מסוגל לתפקד", ממחיש פרופ' פורגדור, "זה אומר שכשהם מתחילים לפעול בגוף נגד סרטן, הפעילות שלהם היא מאוד קצרת טווח ומופסקת הרבה פעמים עוד לפני שכל המחלה חוסלה. זה בעצם הרקע למחקר".
כדי להתמודד עם בעיה זו, חברו פרופ' שוורצמן ופרופ' פורגדור, כדי לחקור מדוע תאי T נשארים פעילים בגוף במהלך תגובות חיסוניות טבעיות אך מאבדים במהירות תפקוד כאשר הם מופעלים ומהונדסים גנטית באופן מלאכותי במעבדה. הם שיערו שההבדל העיקרי טמון במאפיינים הפיזיים של הסביבה שמפעילה את התאים.
במעבדה, תאי T בדרך כלל מגורים באמצעות חרוזי פלסטיק נוקשים המצופים במולקולות מפעילות. בגוף, לעומת זאת, תאי T מגורים על ידי תאים נושאי אנטיגן, תאים לא תקינים או תאים נגועים, שהם בדרך כלל רכים ואלסטיים, עם משטחים מורכבים המכוסים בבליטות ננומטריות הדומות לזרועות זעירות.
פרופ' מארק שוורצמן: "גילינו בשנים האחרונות שתהליך האקטיבציה של תאי ה-T תלוי בסביבה הפיזיקלית שלהם. כאשר הם מופעלים בתוך הגוף על ידי תאים אחרים או על ידי סביבה ביולוגית, הסביבה הזאת היא לרוב מאוד רכה ויש לה גם טקסטורה מאוד ספציפית"
"גילינו בשנים האחרונות שההתשה הזאת ותהליך האקטיבציה מאוד תלויים בסביבה הפיזיקלית שבעצם מאקטבת את התאים", מסביר פרופ' שוורצמן. "כאשר התאים האלה מופעלים בתוך הגוף על ידי תאים אחרים או על ידי סביבה ביולוגית, הסביבה הזאת היא לרוב מאוד רכה ויש לה גם טקסטורה מאוד ספציפית.
"היא למעשה מפעילה את התאים לרמה כזאת שבה הם מספיק יעילים ומצד שני הם אינם מותשים. מכאן הגענו למסקנה שאם נייצר חומר מלאכותי שמפעיל את תאי ה-T מחוץ לגוף של חולה באותו תהליך – אולי נוכל נייצר תאי CAR T שיהיו פחות מותשים או שיחזיקו מעמד יותר זמן וייתנו מענה יותר טוב לסרטן".
פרופ' מארק שוורצמןצילום: דני מכליסוכך היה. החוקרים הנדסו משטחים מלאכותיים מכוסים בננו-מבנים המחקים את אלה שעל תאים המגרים תאי T בגוף, וגילו שתאי T אנושיים שנלקחו מדגימות דם והופעלו על משטחים מלאכותיים אלה, הציגו הפעלה חזקה וארוכת טווח משמעותית, המדמה את סביבתם הטבעית. יתר על כן, הם הבינו שניתן לכוונן את עוצמת הגירוי על ידי התאמת הגיאומטריה והקשיחות של הננו-מבנים, ממצאים שפרסמו במספר מאמרים בשנים האחרונות.
"כדי שנוכל להפעיל את תאי ה-T בצורה המדויקת והיעילה ביותר, התחלנו לחקור את התכונות המכאניות של הסביבה הטבעית שבתוכה פועלים תאי T בגוף האדם", מספר פרופ' שוורצמן. "לאחר מכן ייצרנו משטח המחקה את אותה סביבה – הן מבחינת הקשיחות והן מבחינת מבנה פני השטח. את המשטח הזה הפכנו לביו־אקטיבי, הפעלנו עליו תאי T אנושיים שנלקחו מתורמים בריאים, ואז תכנתנו אותם כך שיבטאו את אותם קולטנים ייחודיים.
"בעצם יצרנו מעין תהליך אימון – שמצד אחד מצייד את התאים ב'נשק' הנכון, ומצד שני לא מתיש אותם כמו בשיטות הרגילות. בבדיקות שערכנו ראינו שאותם תאים אכן פחות מותשים ויעילים הרבה יותר בזיהוי והשמדת תאי סרטן לעומת תאי CAR T שמיוצרים כיום בשיטות סטנדרטיות".
המרכיב המפתיע לייצור המבנים
מעודדים מממצאים אלו, פרופ' שוורצמן ופרופ' פורגדור יצרו ספרייה של משטחים עם ננו-גיאומטריות וקשיחויות מכאניות מגוונות והעריכו את השפעתם על מספר קריטריונים של הצלחה בתגובת תאי T כמו: אופן ההפעלה, תשישות, התרבות ותכנות מחדש של CAR T.
"פתאום", מספר פרופ' פורגדור, "מצאנו את עצמנו מוצפים בנתונים מעיצובי משטחים שונים. מעבר לעובדה שנעשה שימוש בתאי T של תורמים מרובים, שלכל אחד מהם תגובות ספציפיות לאדם, זה הרגיש כמו תחרות קרב-רב, שבה כל שהיינו צריכים זה לזהות את המתחרה בעל ההישגים הטובים ביותר".
4 צפייה בגלריה
"זה הרגיש כמו תחרות קרב-רב, שבה כל שהיינו צריכים זה לזהות את המתחרה בעל ההישגים הטובים ביותר". אימון תאי T נגד סרטן
( צילום: shutterstock)
כדי לפתור את הבעיה, הם שיתפו פעולה עם עמיתם ד"ר אופיר כהן, ביואינפורמטיקאי שהשתמש בניתוח חישובי מתקדם כדי לזהות את המשטח המבטיח ביותר, על סמך מדדי ביצועים מצטברים. המשטח שנבחר סיפק הפתעות נוספות. תאי CAR T שנוצרו בעזרתו ביטאו רמות גבוהות של גנים הקשורים לפעילות אנטי-סרטנית ארוכת טווח.
תאי CAR T שיוצרו באמצעות משטח זה הכילו משמעותית יותר תאי זיכרון מרכזיים מאלו שיוצרו באמצעות חרוזי פלסטיק קונבנציונליים. בהמשך, החוקרים הראו שתאי CAR T המופקים באמצעות המשטח עם הננו-מבנים, הם בעלי יכולת זיהוי והשמדת תאי סרטן הרבה יותר חזקה וארוכת טווח לעומת תאי T CAR המופקים בשיטות קיימות, באמצעות מספר ניסויים במעבדה ובמודלים של עכברים.
התשובה לשאלה איך להפוך את תאי ה-CAR T לעמידים יותר לא נמצאה דווקא במעבדה – אלא על פס ייצור אחר לגמרי. "כדי לייצר ננו-מבנים השתמשנו בתחילה בטכניקות שהותאמו מטכנולוגיית ייצור שבבים", מגלה פרופ' שוורצמן. "הביקוש המתמשך לרכיבים אלקטרוניים קטנים יותר ויותר בשבבים הביא את הטכנולוגיה הזו לנקודה שבה ניתן לייצר מבנים כמעט בכל גודל, אפילו ברמה המולקולרית.
"יתר על כן, המגוון הרחב של חומרים תואמים מאפשר ייצור לא רק של מבנים ממוזערים מסיליקון, כפי שמשמשים בשבבים, אלא גם של חומרים ביו-אקטיביים המתאימים לשילוב עם מערכות ביולוגיות. עם זאת, שיטות מעין אלו יקרות ולא מעשיות לייצור המוני של מוצרים ביו-רפואיים".
כעת, מתמקדים החוקרים בהרחבת הטכנולוגיה שלהם ובמעבר ממעבדת המחקר ליישום קליני. הצוות פיתח שיטות ננו-טכנולוגיות חסכוניות המתאימות לייצור הניתן להרחבה ברמה קלינית, וכבר ייצר אבות טיפוס ראשונים של משטחים מפעילים המסוגלים לייצר תאי CAR T בכמות המספיקה לטיפול בסרטן באדם מבוגר בקנה מידה קליני.
"עד עכשיו השתמשנו בטכנולוגיה לייצר דגמים קטנים במעבדה בכמויות שהיו מספיקות לניסויים בעכברים. כעת אנחנו נמצאים בפיילוט שבו אנחנו מכניסים את הטכנולוגיה לביו ריאקטור שמיוצר על ידי חברה ישראלית מתוך מטרה לייצר תאי T. אנחנו מאוד מקווים שנוכל לייעל את הטיפולים בסרטן, ושהטכנולוגיה הזאת גם תאפשר לייצר טיפולים אימונותרפיים לסרטנים אחרים וגם למחלות שאינן בהכרח סרטן", הוא מסכם.
קבוצת החוקרים כללה את הדוקטורנט עבד אל-קאדר יאסין, ובתר דוקטורנט ד"ר קרלוס אורנה מרטין, וכן חברים במספר קבוצות מחקר מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב ומאוניברסיטת פנסילבניה.
