מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים

חדשות המחקרים

carousle news research: 
תמונת באנר: 
בחר את סוג הלובי: 
מחקרים
האוזן של החגב בתוך הצ'יפ

מחקר

16.03.2021
לראשונה בעולם: רובוט הצליח "לשמוע" באמצעות אוזן של בעל חיים

ד"ר בן מעוז מהנדסה ביו-רפואית בשיתוף חוקרים ומומחים מאוניברסיטת תל אביב חיברו אוזן אמיתית של חגב – לרובוט

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

פיתוח טכנולוגי וביולוגי של אוניברסיטת תל אביב, חסר תקדים בארץ ובעולם, מאפשר לראשונה לחבר אוזן של בעל חיים מת (חגב) לרובוט שקולט את האותות החשמליים של האוזן ומגיב בהתאם. התוצאה מיוחדת במינה: החוקרים מוחאים מחיאת כף אחת, האוזן של החגב שומעת את הצליל והרובוט נוסע קדימה. החוקרים מוחאים שתי מחיאות כף, האוזן שומעת – והרובוט נוסע אחורה".

 

המחקר האינטרדיסציפלינרי נערך בהובלת ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ובית הספר סגול למדעי המוח, בשיתוף צוות מומחים מבית הספר לזואולוגיה ובית הספר סגול למדעי המוח: פרופ' יוסי יובל, פרופ' אמיר אילי, ד"ר אנטון שיינין, עידן פישל, יוני עמית, נטע שביל. תוצאות המחקר התפרסמו בכתב העת היוקרתי Sensors.

 

החוקרים מסבירים שבתחילת המחקר הם ביקשו לבחון כיצד ניתן לשלב את היתרונות של המערכות הביולוגיות גם במערכות הטכנולוגיות, ואיך אפשר להשתמש בחושים של בעלי חיים מתים כחיישנים לרובוט. "בחרנו בחוש השמיעה, כי אפשר להשוות אותו בקלות לטכנולוגיות קיימות – בניגוד לריח למשל ששם האתגר גדול עוד יותר", מדגיש ד"ר מעוז. "האתגר שלנו היה להחליף את המיקרופון אלקטרוני של הרובוט באוזן של חרק מת, לנצל את היכולת של האוזן לקלוט את האותות החשמליים מהסביבה, במקרה הזה את הוויברציות באוויר, ובאמצעות שבב מיוחד להמיר את קלט החרק לקלט של רובוט".

 

לצורך המשימה הייחודית והלא שגרתית, בשלב הראשון החוקרים במעבדה של ד"ר מעוז בנו רובוט שמסוגל להגיב לאותות שהוא מקבל מהסביבה. לאחר מכן, בשיתוף פעולה רב תחומי החוקרים הצליחו לבודד ולאפיין את האוזן של חגב מת, להצליח להחזיק אותה בחיים, כלומר מתפקדת, מספיק זמן כדי ניתן לחבר אותה בהצלחה לרובוט. בשלב האחרון החוקרים הצליחו למצוא דרך לקלוט את האותות שנקלטים באוזן החגב בדרך שתהיה שימושית גם לרובוט. בסוף התהליך, הרובוט הצליח 'לשמוע' את הצלילים ולהגיב בהתאם.

בתמונה: הרובוט עם הצ'יפ

 

"מעבדתו של פרופ' אילי בעלת ניסיון רב בעבודה עם חגבים, והם פיתחו מיומנויות לבודד את האוזן ולאפיין אותה", מסביר ד"ר מעוז. "מעבדתו של פרופ' יובל בנתה את הרובוט ופיתחה קוד המאפשר לרובוט להגיב לאותות חשמליים של קול. ואילו המעבדה שלי פיתחה מכשיר מיוחד – אוזן-על-שבב – שמאפשר לשמור את האוזן חיה זמן לאורך הניסוי באמצעות אספקה של חמצן ומזון לאיבר, ובמקביל מאפשר להוציא את הסיגנלים החשמליים מאוזן החגב, להגביר ולהעביר אותם לרובוט".

 

ככלל, למערכות ביולוגיות יתרון עצום על מערכות טכנולוגיות – הן מבחינת הרגישות והן מבחינת תצרוכת האנרגיה. לכן הפרויקט של חוקרי אוניברסיטת תל אביב פותח פתח לשילובים חושיים בין רובוטים לחרקים – ועשוי לייתר פיתוחים מסורבלים ויקרים בהרבה בתחום הרובוטיקה.

 

"צריך להבין שמערכות ביולוגיות מוציאות אנרגיה זניחה ביחס למערכות אלקטרוניות. הן ממוזערות, ולכן גם חסכוניות ויעילות, בצורה קיצונית. לשם השוואה, מחשב נייד צורך כ-100 וואט לשעה, ואילו המוח האנושי צורך כ-20 וואט ביממה. הטבע מתקדם מאיתנו בהרבה, לכן כדאי להשתמש בו. ניתן להשתמש בעיקרון שהצגנו, וליישם אותו על חושים אחרים, כמו ריח, ראייה ומישוש. לדוגמה, לבעלי חיים מסוימים יש יכולות מדהימות לזיהוי של חומרי נפץ וסמים, וייצור של רובוט עם אף ביולוגי יוכל לעזור לנו לשמור על חיי אדם ולזהות עבריינים באופן שלא ניתן כיום. יש בעלי חיים שיודעים לזהות מחלות ואחרים שיודעים לחוש רעידות אדמה. השמיים הם הגבול".

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

מצב העומסים המכניים ברקמות סביב פצע כרוני בזמן פעולת מכשיר לטיפול באמצעות לחץ שלילי.

מחקר

21.02.2021
מודל חישובי חדש יביא לשיפור ניכר באופן תכנון חבישות לטיפול בפצעים

מאמרו של פרופ' עמית גפן פורסם לאחרונה בכתב עת יוקרתי בנושא טיפול בלחץ שלילי בפצע באמצעות וואקום

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

פרופ' עמית גפן, ראש המעבדה לביו-מכניקה של מערכת השלד והשרירים במחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב ומומחה עולמי במניעה וטיפול בפצעי לחץ, פרסם מאמר חדש בכתב העת  .Medical Engineering & Physics

 

פצעי לחץ

פצעי לחץ הינם אחת הבעיות החמורות ביותר איתן מתמודדות מערכות בריאות בעולם כולו, הן מבחינת סבל לחולים ולמשפחות והן מבחינת עלות הטיפול. הפצעים הללו הם גם גורם תמותה משמעותי ומובן שיש לעשות הכל כדי למנוע אותם. מחקריו של פרופ' גפן מתמקדים בהבנת אופן התפתחות פצעי לחץ וכן כיבים סוכרתיים בכל הרמות – מהאופן שבו מתים תאים בודדים בגוף ועד לנזק הנראה לעין. הבנות אלו מאפשרות למצוא דרכי מניעה וטיפול יעילות יותר כדי למנוע מוות וסבל של מיליונים רבים.

 

טיפול בלחץ שלילי

טיפול בפצעים באמצעות לחץ שלילי (וואקום) הוא פרקטיקה קלינית מקובלת לריפוי חתכים כתוצאה מניתוחים כירורגיים ופצעים כרוניים, הכוללת הפעלת לחץ שלילי באמצעות משאבה המחוברת לחבישת ספוג הממוקמת על גבי הפצע. עם זאת, ההשפעות הביומכניות של טיפול זה אינן מובנות עדיין ולכן פותח בקבוצת המחקר של פרופ' עמית גפן מודל חישובי מתקדם ביותר מסוגו לצורך סימולציות של עוצמת העומסים המכניים והתנאים הביומכניים המתפתחים ברקמות הפצע וסביבו.

 

המודל החישובי החדש מאפשר לחקור את השפעות גודל הלחץ השלילי ותכונות חבישת הספוג על התנאים הביומכניים השוררים ברקמות. המודל זיהה בהצלחה את הפרמטרים החשובים באמצעותם ניתן לשלוט על התנאים ברקמות סביב הפצע, שהם קריטיים לצורך ריפוי והחלמה.

 

המודל והתוצאות שהושגו באמצעותו דווחו לאחרונה בכתב-העת Medical Engineering & Physics. העבודה בוצעה במימון מענק מחקר STINTS של הקהילה האירופית בנושא בריאות ותפקוד העור ומענק משרד המדע והטכנולוגיה בנושא מכשירים רפואיים באינטראקציה עם העור שהוענקו לפרופ' עמית גפן - שהוא וקבוצת המחקר שלו מובילים עולמיים בנושאים הללו.   

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

 

נזקי עור כתוצאה משימוש בציוד מיגון אישי

מחקר

16.02.2021
נזקי עור כתוצאה משימוש בציוד מיגון אישי

עבודותו האחרונה של פרופ' עמית גפן פורסמה השבוע בכתב העת Journal of Wound Care בנושא COVID-19, מסכות פנים ונזקי עור 

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

פרופ' עמית גפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב המתמחה במניעה וטיפול בפצעי לחץ, חקר לאחרונה נזקים משמעותיים לעור כתוצאה משימוש בציוד מיגון אישי במיוחד מסכות פנים ומשקפי מגן – תועדו בקרב צוותים רפואיים המטפלים בחולי קורונה בכל העולם.

 

פצעים פתוחים בעור הפנים באנשי צוות רפואי מהווים פתח לזיהום על ידי חיידקים עמידים וכן וירוסים הנמצאים בסביבת בית החולים ובפרט, לחדירת נגיף הקורונה עצמו ישירות למחזור הדם. הפצעים הללו בעור הפנים הם למעשה סוג מסוים של פצעי לחץ הנגרמים כתוצאה משימוש במכשור וציוד רפואי, במקרה זה לא בחולים (כפי שהיה נפוץ עוד לפני מגפת הקורונה) אלא בצוות המטפל.

 

בקבוצתו של פרופ' עמית גפן במחלקה להנדסה ביו-רפואית שמומחיותו פצעי לחץ והגנה על הגוף מהפצעים הללו נחקר הנושא ופרסמו הנחיות מעשיות לצוותים רפואיים שמטרתן להפחית את הסיכון לפגיעה בעור כתוצאה משימוש בציוד מיגון אישי, למשל באמצעות הפחתת החיכוך על ידי סיכוך העור ושימוש בחבישות מגן.

 

מאמרו פורסם השבוע במגזין "Journal of Wound Care" והוא נגיש באופן חופשי מאתר המוציא לאור:

https://bit.ly/3c4hpjW

לכתבה ב MAKO

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

ד"ר טלי אילוביץ

מחקר

27.05.2020
שיטה לא פולשנית לחיסול תאים סרטניים

ד"ר טלי אילוביץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב ביחד עם חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחו טכנולוגיה לא פולשנית מבוססת אולטרסאונד לצורך העברת גנים אל תוך גידולים סרטניים

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

ד"ר טלי אילוביץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית והעומדת בראש המעבדה לאולטרסאונד, מפתחת טכנולוגיות חדשות בתחום האולטרסאונד. דוגמא לטכנולוגיה שכזו היא שימוש באולטרסאונד טיפולי לצורך טיפולים לא פולשניים כתחליף להתערבות כירורגית חיצונית. הטיפול מושג ע"י שימוש בבועיות גז קטנות שקוטרן הוא כעשירית בלבד מקוטר תא דם אדום. במקור, הבועיות הללו פותחו כחומר ניגוד לדימות של כלי דם באולטרסאונד וכיום גם משמשות כפלטפורמה טכנולוגית לריפוי. באמצעות הזרקה של מיקרו-בועות ומיקוד של אולטרסאונד בתדר נמוך, הבועות תתכווצנה ותתרחבנה באזור הספציפי, דבר שיאפשר מעבר של חומרים מתוך כלי הדם אל הרקמה שמסביב. בצורה כזו לדוגמה ניתן להשתמש באולטרסאונד טיפולי שחודר מבעד לגולגולת כדי לפתוח את מחסום הדם-מוח בצורה ממוקדת והפיכה על מנת לאפשר מעבר של תרופות לטיפול במחלות שונות. את הפלטפורמה הזו ד"ר אילוביץ מקווה להמשיך לפתח ולהרחיב לטיפול במגוון מחלות, החל מגידולים סרטניים ועד לאלצהיימר ופרקינסון.

 

לאחר סיום הדוקטורט שלה, ד"ר אילוביץ המשיכה לפוסט דוקטורט בבית הספר לרפואה שבאוניברסיטת סטנפורד ובתחילת השנה הצטרפה לסגל המחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב. במחקרה שהתפרסם החודש במגזין המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences , ביחד עם חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד פיתחו טכנולוגיה לא פולשנית מבוססת אולטרסאונד לצורך העברת גנים אל תוך גידולים סרטניים.

 

השיטה משלבת אולטרסאונד עם מיקרובועות שנקשרות אל התאים הסרטניים. כאשר אולטרסאונד מופעל, המיקרובועות מתנהגות כמו ראשי נפץ נקודתיים שיכולים לפעור חורים בממברנות של התאים הסרטניים ולאפשר מעבר של הגנים דרכם. הפלטפורמה הטיפולית החדשה נועדה לתפוס שתי ציפורים במכה אחת. ראשית, המיקרובועות תוקפות את התאים הסרטניים ולאחר מכן הגן שמועבר לתוכם מאותת למערכת החיסון להרוס את שארית הגידול. התגובה החיסונית המערכתית שנוצרת מסוגלת למגר גידולים נוספים שלא טופלו ישירות

 

הקליקו למאמר המלא

 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

בדיקות מעבדה בעזרת רשת נוירונים ללימוד עמוק בפחות זמן וכסף

מחקר

19.04.2020
צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים בעזרת רשת נוירונים עתידה לייעל בדיקות מעבדה

פרופ' נתן שקד מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, פיתח יחד עם המסטרנט יואב נייגט ושאר צוות החוקרים שלו רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת לבצע צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים, בלי צורך בצביעה כימית אמיתית שלהם.

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

החודש התפרסם מאמרו של פרופ' שקד במגזין היוקרתי PNAS, הנחשב לאחד העיתונים המדעיים הטובים והוותיקים בעולם. במאמר הצליחו פרופ' שקד וקבוצתו להציג גישה חדשה של למידה עמוקה הנקראת HoloStain, אשר ממירה תמונות של תאים ביולוגיים מבודדים, שנרכשו ללא צביעה כימית על ידי מיקרוסקופיה הולוגרפית, לתמונותיהם הצבועות דיגיטלית, עם יכולת לראות אברונים (חלקים מהתא בעלי תפקידים ספציפיים) בתוך התאים, כאילו שמדובר בתאים צבועים באמת.

 

תאים ביולוגיים בצלוחית המצולמים במיקרוסקופ אור הם ברובם שקופים ולא ניתן לראות את התוכן שלהם. צביעת תאים היא טכניקה המקלה ומשפרת את הצפייה בתאים אלו ונמצאת בשימוש רחב בביולוגיה וברפואה, למשל כדי לאבחן מחלות או לבצע בדיקות מעבדה סטנדרטיות. פעולתה העיקרית היא שיפור ניגודיות הצבעים המאפשרת לראות את המבנה הפנימי של התאים למרות שקיפותם. הצביעה נעשית באמצעות קשירה כימית בין מולקולת הצבען (חומר הצביעה) לבין המולקולה הספציפית לה בתא, וכך אפשר לראות את האברונים הפנימיים בתוך התא ולאבחן את מבנהו.

 

הולוגרפיה קלינית

פרופ' שקד וקבוצתו פיתחו דרך לדימות טופוגרפי כמותי של תאים ללא צביעה המבוססת על הולוגרפיה קלינית, אשר מקליטה עד כמה האור התעכב במעבר דרך התאים, מה שמניב מפות גובה כמותיות של התאים. את זה ניתן לעשות מהר מאוד, אפילו תוך כדי זרימה של התאים. המערכות הללו היו עד לא מזמן מסובכות ויקרות מידי לשימוש קליני, אך הדבר נפתר בעזרת המצאותיה האחרונות של הקבוצה - מודולים הולוגרפים קטנים שמתממשקים ליציאה של מיקרוסקופי אור קליניים רגילים ויכולים להניב הולוגרפיה איכותית בתנאים קליניים.

 

מבעיה לפתרון

למרות שהתמונות של ההולוגרפיה הן כמותיות ולא דורשות צביעה כימית, קלינאים מתקשים להשתמש בהן, כי הן לא נראות כמו תמונות של תאים צבועים, ששם רואים בבירור את האברונים הפנימיים של התא. לצורך פתרון בעיה זו, קבוצת המחקר בנתה רשת נוירונים ממוחשבת ללימוד עמוק אשר יודעת, לאחר אימון מתאים, לקחת את תמונות ההולוגרפיה ולהציג אותן כאילו הן צבועות, בזמן אמת (במהירות רבה).

 

שיטות לבניית רשתות לימוד עמוק התפתחו רק לאחרונה עקב הצורך בכוח חישוב רב בזמן האימון שלהן.  

 

היתרונות לצביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים

צביעה וירטואלית של תאים ביולוגיים חשובה לבדיקות מעבדה שגרתיות רבות שבהן צובעים תאים כדי לאפיין ולמיין אותם (למשל בדיקת דם). כעת, כבר לא חייבים לצבוע את התאים בצורה כימית לצורך אבחנה מבנית שלהם, וזה עתיד לחסוך כסף וזמן. בנוסף, יש משימות רפואיות שבהן צביעה כימית לא אפשרית בגלל שהיא הורסת את התא (למשל בחירת זרעונים להפריה חוץ גופית), או בגלל שהצבענים המתאימים לא קיימים לסוג התאים הנבחן. מעבר לכך, התמונות שמייצרת הרשת הלומדת נקיות יותר, וגם ניתן לקחת תאים שנרכשו שלא בפוקוס ולהכניס אותם לפוקוס בצורה אוטומטית במחשב, מכיוון שהרכישה היא הולוגרפית (כלומר של כל חזית הגל של האור). זה מגדיל את האפשרות לעבד יותר תאים בזמן נתון (כי אם עוברים שני תאים - אחד בפוקוס והשני לא בפוקוס במכשיר שמזרים תאים - ניתן לרכוש את שניהם מבלי לאבד זמן).

שורה ראשונה - מפות טופוגרפיות כמותיות של תאי זרע שהושגו על ידי הולוגרפיה ללא צביעה. 

שורה שניה - תמונות של תאי זרע צבועים וירטואלית (ללא צביעה אמיתית) - זוהי תוצאת רשת הנוירונים לאחר עיבוד המפות הטופוגרפיות שמוצגות בשורה הראשונה.

שורה שלישית - אותם תאים שצבועים באמת, על ידי צביעה כימית, להשוואה.

שלוש העמודות השמאליות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה תקינה. שלוש העמודות הימניות מציגות תאים בעלי מורפולוגיה שאינה תקינה. כעת, אפשר לבצע צביעה וירטואלית של תאי הזרע במהלך הפריה חוץ גופית ולאבחן את התאים כאילו הם נצבעו כימית אמיתית.

 

* מחקר זה זכה לאחרונה בגרנט של האיחוד האירופי Horizon2020 ERC Proof of Concept

*לינק לקבוצת המחקר של פרופ' נתן שקד

*לינק למאמר במגזין PNAS

CT

מחקר

22.03.2020
אבחון נגיף הקורונה באמצעות בדיקת CT

פרופ' חיית גרינשפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל אביב שותפה לפיתוח מערכת בינה מלאכותית המאבחנת קורונה

COVID - 19 באמצעות בדיקת CT

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

במעבדה לעיבוד תמונות רפואיות הממוקמת בפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב, תחת ניהולה של פרופ' חיית גרינשפן מפתחים פתרונות הנדסיים לסיוע בפענוח תמונות רפואיות אשר יעזרו לרופאים להשיג קריאת מקרים מהירה יותר ומדויקת יותר. מהמעבדה יצאו פיתוחים פורצי הדרך בנושא של אבחונים אוטומטים בתמונות MRI ואנליזת גידולים בכבד בבדיקות CT.

 

בעקבות משבר נגיף הקורונה, עובדת פרופ' גרינשפן על איבחון תוצאות רדיולוגיה של חולי הנגיף. המחקר נעשה בשיתוף עם מספר מרכזים בינלאומיים ובהתבסס על פלטפורמת AI של חברת RADLogics המסייעת לרדיולוגים בפיענוח תמונות של דימות רפואי כמו CT וצילומי רנטגן. פרופ' גרינשפן ושותפיה פיתחו שיטה לאיבחון השפעות נגיף הקורונה על פי בדיקת CT של הריאות במטרה להבדיל בין חולי וירוס קורונה לבין שאינם חולים. בנוסף פיתחה הקבוצה שיטת אפיון כמותי של חומרת המחלה אשר יכולה לשמש כמדד לניטור יעיל, מדויק ומהיר של מצב החולה. כלים אלה יכולים לסייע בזיהוי מגמות של החמרה ושיפור כבר בראשיתן.

 

בעזרת אמצעים אלה יוכלו רופאים לאתר במהירות חולים שמצבם מחמיר לעומת חולים בדרך להחלמה. איבחון מוקדם שכזה יאפשר לפנות מיטות חיוניות בבתי החולים בכלל ובטיפול נמרץ בפרט. חשוב לציין כי רבים מתלמידי ובוגרי המחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה עובדים בחברה RADLogics ושותפים לפיתוח פורץ דרך זה.

בתמונות סריקות CT של ריאות בהקשר לתחלואה בנגיף ה Covid-19: מצד שמאל: ריאות של חולה בנגיף הקורונה / אמצע: ריאות של חולה בהחלמה / ימין: אדם בריא

*מקור התמונה: https://arxiv.org/abs/2003.05037

 

עד כה כלל המחקר מערך בדיקות על 157 חולים מסין וארה"ב והמסקנה הראשונית היא שניתוח AI של התמונה יכול להשיג דיוק גבוה בזיהוי פגיעה של נגיף ה Covid-19 כמו גם לאפשר כימות ומעקב אחר נטל המחלה.

 

כיום הקבוצה ממשיכה בפיתוח כלי שיאפשר לרשויות לבצע סקרי קורונה באוכלוסיות רחבות באמצעות CT ברמת קרינה נמוכה, בדומה לבדיקות הסקר הנערכות היום לאיתור חולי סרטן. סקר כזה יכול להאיץ את הבדיקות ולהגדיל משמעותית את מספרן, על מנת לאתר חולים במהירות, לבודד אותם ולהעניק להם מיד את הטיפול הנדרש ובמקביל לאפשר לשאר האוכלוסייה להמשיך בשגרת חייה.

כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות שונות?

מחקר

13.08.2019
כיצד ניתן לזהות חוסר שיווי משקל של מערכות מורכבות?

ד"ר גילי ביסקר יחד עם חוקרים מאוניברסיטת מישיגן ואוניברסיטת קומפלוטנסה פרסמו את מחקרם ב Nature Communications המסביר כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

ד"ר גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביו רפואית ומנהלת המעבדה לאופטיקה, ננו-טכנולוגיה, וביופיזיקההצטרפה לפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב אחרי 6 שנים באוניברסיטה היוקרתית ואחת הטובות בעולם - MIT שם עבדה במעבדה ניסיונית במחלקה להנדסה כימית ופתחה ננו-גלאים אופטיים המבוססים על ננו-צינוריות מפחמן וגילתה ננו-גלאים לחלבונים פיברינוגן ואינסולין. לאחר מכן עסקה במחקר תיאורטי במחלקה לפיזיקה ב- MIT שם עבדה על תהליכי הרכבה עצמית מחוץ לשיווי משקל, ובהסקת מסקנות לגבי מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל מתוך מידע חלקי.

 

פיתוח שיטות לאבחון וטיפול חדשות

"המעבדה בפן הניסיוני, מתמקדת בפיתוח כלים ננו-טכנולוגיים שיאפשרו לעקוב אחרי תהליכים מולקולרים, בשאיפה להבין את הדינמיקה של אותם תהליכים. כלים אלו מבוססים על ננו-חלקיקים הפולטים פלורסנציה בתחום האינפרא אדום, ויכולים לגלות שינויים בסביבה הקרובה שלהם או ספיחה של מולקולות על פני השטח שלהם. בעזרת מעקב אחרי התכונות האופטיות של הננו-חלקיקים הללו במערכות ביולוגיות אפשר ללמוד עליהן ולקבל מידע חדש על תהליכים מיקרוסקופיים שאחראיים על ההתנהגות המקרוסקופית שלהן. כך מסבירה ד"ר ביסקר.

בין השאר, ניתן להשתמש באותם ננו-חלקיקים כסנסורים למולקולות ביולוגיות עבור אפליקציות ביורפואיות על מנת לפתח שיטות אבחון וטיפול חדשות. למשל, במעבדה מפתחת ד"ר ביסקר ננו-סנסורים לחלבונים וביו-סמנים של מחלות כגון סרטן וסכרת, לצורך גילוי מוקדם, ניטור התקדמות המחלה, ובדיקה של יעילות טיפול.

 

שבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן

המעבדה אף מתמקדת בפן התיאורטי בו ד"ר ביסקר מפתחת כלים אנליטיים ונומריים לזיהוי של חוסר שיווי-משקל תרמודינאמי על מנת להבין תהליכים מולקולרים שאחראים לקיומם של חיים. למשל, תא חייב להשקיע אנרגיה על מנת להעביר מטען מקצה אחד של התא לקצהו השני, או על מנת לשנות את מבנה השלד שלו לטובת תנועה במרחב. אלו הן דוגמאות לתהליכים מחוץ לשיווי משקל החיוניים לתפקוד תקין של התא.

 

כל המערכות החיות נמצאות רחוק משיווי משקל, שמתבטא גם בשבירה של סימטריית ההיפוך-בזמן. כאשר יש במערכת תנועה בכיוון מועדף, או זרם הנראה לעין, קל לזהות שהמערכת אינה בשיווי משקל. לעומת זאת, בהעדר זרם זיהוי הכוחות הפנימיים או החיצוניים שדוחפים את המערכת מחוץ לשיווי-משקל נהיה מאתגר. במקרה זה, ד״ר ביסקר ומשתפי פעולה מאוניברסיטת קומפלוטנסה של מדריד ומאוניברסיטת מישיגן בארה״ב, הדגימו כיצד ניתן לכמת את שבירת הסימטריה להיפוך-בזמן ללא זרמים.

 

המחקר, שהתפרסם לאחרונה בעיתון  Nature Communications, מראה אין ניתן להשתמש בשיערוך המבוסס על פילוג ההסתברות של זמני המתנה כדי לזהות חוסר שיווי משקל. בעזרת השוואת ההתפלגויות של תזמון התהליכים הנצפים במערכת לבין ההתפלגויות של תזמון התהליכים ההפוכים בזמן, ניתן לכמת את אותה שבירת סימטריה ובכך לתת חסם תחתון לכמה רחוקה המערכת משיווי משקל. מדד זה יכול לעזור להבנה בסיסית של מערכות חיות, וללמד אותנו על יעילות של תהליכים מולקולרים, או על המחיר התרמודינמי ההכרחי לדיוק שלהם. ההבנה הזו יכולה גם לעזור לפיתוח מערכות סינטטיות השואבות השראה ממערכות ביולוגיות.

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן

חלקיק נע בקו חד מימדי, עם הסתברות שווה לקפוץ למעלה או למטה. בממוצע, אין זרם במערכת, אך מתוך פרקי הזמן בהם החלקיק מבלה במצבים השונים, לפני קפיצה למעלה לעומת לפני קפיצה למטה, ניתן להסיק שבירת סימטריה להיפוך בזמן.

 

לינק למאמר 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

פצעי לחץ

מחקר

22.11.2018
פצעי לחץ יתנו לכם סיבה טובה לזוז

לכבוד חודש המודעות הבינלאומי לפצעי לחץ, פרופ' עמית גפן מסביר על חשיבות התנועה

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

אנו מציינים כעת את חודש המודעות הבינלאומי לפצעי לחץ, אותו יזם וקידם פרופ' עמית גפן מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה, בעת שהיה נשיא האיגוד האירופי לפצעי לחץ.

 

השפעתם של פצעי לחץ על תוחלת ואיכות החיים של מטופלים בכל הגילאים ובמגוון מצבים רפואיים כמו גם על עלויות בריאות היא עצומה, ולכן מוקדש מירב זמנו של פרופ' גפן בשני העשורים האחרונים לפעילות מחקרית בינלאומית ולקידום הידע המדעי בנושא ושילובו בהנחיות בינלאומיות למניעה וטיפול.

 

"כידוע, פצעי לחץ גובים מחירים קשים מילדים ופגים, צעירים וקשישים, מנותחים, יולדות ועוד, אולם בידינו היכולת לצמצם את השפעתם המזיקה באמצעות שיתוף פעולה ליצירת ידע מדעי חדש ושימוש בו לפיתוח  הנחיות, התוויות וטכנולוגיות פורצות-דרך. החלפת מידע מדעי וקליני חדש מבוסס-ראיות בנושא חשוב זה בין כל הגורמים הרפואיים, גופי הממשל ותעשיית המכשור והציוד הרפואי היא המפתח לקידום המניעה והטיפול בפצעים הקשים הללו" כך מסביר פרופ' גפן.

 

לאחרונה קיבל השיח הרב-מקצועי שיזם פרופ' גפן כאמור ביטוי באמצעי תקשורת שונים בישראל, ולהלן מספר קישורים לכתבות שפורסמו בימים ובשבועות האחרונים בהם מסביר על תופעת פצעי הלחץ, הסיבות ודרכי טיפול:

פצעי לחץ: עלייה דרמטית בשכיחות בישראל

כתבה ב - doctors

 

מיולדות ופגים ועד סופרמן: 11 עובדות על פצעי לחץ

כתבה ב - ynet 

חוקרים גילו עקרונות אוניברסאליים העומדים בבסיס הארגון הגנומי

מחקר

16.04.2015
חוקרים גילו עקרונות אוניברסאליים העומדים בבסיס הארגון הגנומי
  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

בשנים האחרונות אחת השאלות הביולוגיות הנחקרות ביותר נוגעת לגורמים הקובעים את ארגון הגנים בתוך הגנום. במקרה של חיידקים ויצורים פרוקריוטים אחרים, קיים סדר וארגון המוכר היטב בספרות, אשר בא לידי ביטוי בצברים של גנים, המכונים אופרונים (Operons) וכוללים לרוב כמה גנים בעלי קשר תפקודי ביניהם. הגנים המקובצים באופרון יכולים, למשל, לקודד מספר חלבונים המשתתפים באותו תהליך (כגון פירוק של סוכר הלקטוז), ועל כן הם נתונים לבקרה משותפת כיחידה אחת. לעומת זאת, בגנומים של יצורים איקריוטים-עילאיים כגון בני-האדם, צברים פשוטים מסוג זה הם נדירים יחסית, והעקרונות של ארגון הגנום האיקריוטי נותרו מעורפלים במשך השנים.

 

כאשר נלקח בחשבון הקיפול התלת-ממדי של כרומוזומים, גנים הממוקמים רחוק זה מזה על רצף הדנ"א של אותו כרומוזום, או אף נמצאים על שני כרומוזומים שונים, עשויים להימצא קרובים זה לזה בגרעין התא. בזכות טכנולוגיות מדידה חדישות מן העשור האחרון, הצליח חֵקֶר הארגון התלת-ממדי של גנומים ביצורים איקריוטים, לעומת הארגון החד-ממדי, להביא ראיות לכך שארגון זה אינו אקראי ושיש לו חלק בתהליכי בקרה בתא. עם זאת, טרם הובנו המנגנונים הקובעים את הארגון המקיף של הגנום.

 

תבניות אוניברסיליות בגנום

לאחרונה, צוות מדענים בראשות ד"ר תמיר טולר מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל-אביב, שכלל את הדוקטורנט אלון דיאמנט מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת תל-אביב ואת פרופ' רון פינטר מהפקולטה למדעי המחשב בטכניון, חשפו עקרונות אוניברסאליים העומדים בבסיס הארגון הגנומי באיקריוטים. במחקר שפורסם בכתב העת Nature Communications, מציגים החוקרים תבניות בארגון התלת-ממדי של גנומים, המעידות על קשר חזק בין מיקומם של גנים לבין קשרי הגומלין התפקודיים ביניהם.

 

באמצעות ניתוח חישובי של נתונים ניסיוניים, הצליחו החוקרים להראות שמרחקים בין גנים במרחב גרעין התא תואמים למרחקים במרחב מתמטי המתאר את הפונקציונאליות של גנים. כלומר, גנים אשר יש ביניהם דמיון רב מבחינת התפקיד שלהם בתא צפויים להימצא קרובים בגרעין התא, ולהיפך – גנים אשר שונים מאוד זה מזה צפויים להימצא רחוקים. הניתוח המקיף כלל לראשונה את כל הגנים הידועים בחמישה גנומים איקריוטיים שונים, בהם אדם, עכבר, צמח ושני מיני שמרים, אשר מדידות של קיפול הדנ"א שלהם תועדו בשנים האחרונות. האנליזה כללה אלפי עד עשרות אלפי גנים בכל אחד מהיצורים. בכל המקרים נמצאה מידה מפתיעה של סדר וארגון בגנומים שנבדקו, ובהתאם לעקרונות זהים.

 

גנים קרובים-רחוקים

אחד האתגרים המרכזיים במחקר היה הגדרת ומדידת המרחק הפונקציונאלי בין גנים – כלומר, כיצד אפשר למדוד עד כמה זוגות של גנים דומים מבחינת התפקיד שלהם בתא. הגדרת מרחק זה היא שאפשרה את ההקבלה בין מרחקים עבור כל זוג גנים (שנמדדו בניסוי) במרחב הפיזי של התא מחד, לבין מרחקים במרחב הפונקציונאלי מאידך. לשם כך, הציעו החוקרים גישה חדשה המתבססת על השוואת רצפי הדנ"א של גנים שונים, והראו שאמת המידה שהציעו למדידת הדמיון בין הרצפים אכן מקבילה לדמיון בפונקציה של גנים בתא, על-סמך המידע שנאסף עד עתה במאגרי נתונים ביולוגיים.

 

הקריטריון להשוואת רצפי דנ"א מתבסס על תכונות של הקוד הגנטי, המשותף לכלל היצורים החיים. רצפי דנ"א מורכבים מ-4 סוגי נוקלאוטידים (Nucleotides), הניתנים להקבלה לאותיות בשפת אנוש. מאותיות הנוקלאוטידים ניתן להרכיב "מילים" שונות המכונות קודונים (Codons) – כל קודון מְקוֹדֵד חומצת אמינו אחת בחלבון, וכל רצף קודונים כאלה מתורגם לשרשרת חומצות המרכיבות חלבון שלם. אחת התכונות המעניינות של הקוד הגנטי, היא שניתן לקודד חלבונים הזהים בהרכבם ובתכונותיהם ע"י צירופי קודונים שונים, ומספר גדול מאוד של רצפים אפשריים יכולים לקודד את אותו חלבון. מבין הצירופים האפשריים הרבים, ניתן לראות לעתים קרובות העדפה לקידוד באמצעות קודונים מסוימים בגן (או אף באזור מסוים בתוכו), שתתבטא בשכיחות גבוהה יותר שלהם ברצף. השוואת השכיחות של הופעת קודונים ברצפים של גנים שונים – "אוצר המלים" של הגנים – אפשרה לחוקרים להגדיר את המרחק הפונקציונאלי המוצע במחקר.

 

חיזוי והבנת תפקידי הגנים

הממצאים האחרונים שופכים אור על עקרונות הארגון הגנומי ביצורים איקריוטיים ומעוררים תקווה לגבי יישומם במחקרים עתידיים, על מנת לשפר את השיטות להבנת הארגון המרחבי של גנומים, למשל בבניית מודלים תלת-ממדיים מדויקים יותר מן הנתונים הניסיוניים. הממצאים גם מאפשרים בניית  מודלים של האבולוציה של הגנום ושל ארגונו ע"י ניתוח מספר מינים במקביל. נוסף על כך, ניתן ליישם את הגישה שהוצעה לצורך חיזוי והבנה של תפקידיהם של גנים, של אופן הביטוי שלהם ושל האבולוציה של תפקודם. בעתיד, ניתן לשער שהנדסה של גנומים תחייב התחשבות בהיבטים הנוגעים לארגון המרחבי שלהם, אשר יש לו חלק חיוני בבקרה על תהליכים בתא.

מחקר

16.04.2015
מחקר חדש מדגים כיצד אורח חיים סטטי מוביל להשמנה

החוקרים בחנו את המכניקה של תהליך ההשמנה כאשר מופעל על תא השומן לחץ סטטי בדומה לישיבה

  • מחקר
  • הנדסה ביו-רפואית

מחקר חדש חושף לראשונה את תהליך ההשמנה ברמת תא השומן ורקמת השומן, ומראה כיצד אורח חיים סטטי מעודד עודף משקל בנפרד מהרגלי התזונה. את המחקר, שממצאיו מתפרסמים היום בכתב העת היוקרתי Biophysical journal, ערכו פרופ' עמית גפן, ד"ר נתן שקד והדוקטורנטית נעמה שהם מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף פעולה עם פרופ' דפנה בניהו מהמחלקה לביולוגיה תאית והתפתחותית בבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר באוניברסיטת תל-אביב.

 

ההנדסה של ההשמנה

"לפני כשנתיים פרופ' בניהו ואני קיבלנו מענק מהקרן הלאומית למדע על מנת לשתף פעולה בחקר ההנדסה של ההשמנה", מספר פרופ' גפן. "מצאנו שאם מפעילים עומס מכני סטטי על תאי שומן - הם מייצרים עד 50% יותר שומן. זאת היתה הפעם הראשונה שהוכח הקשר בין השמנה לאורח חיים סטטי, בלי כל קשר לתזונה. מי שיושב כל היום על הישבן, כלומר מפעיל לחץ מכני סטטי על רקמת השומן שלו, ישמין יותר מאדם שמפעיל לחץ מכני דינמי על רקמות השומן - וזה בנפרד מכמות ההמבורגרים ששניהם אוכלים. רקמת השומן מגיבה לעומסים מכניים הפוך מרקמות העצם והשריר: בשעה שרקמות עצם ושריר מתנוונות תחת עומס מכני סטטי, רקמות שומן דווקא צוברות מסה".

 

במחקרם החדש ביקשו החוקרים לבדוק כיצד תא השומן משתנה מבחינה מכנית כאשר הוא צובר שומן. "תא השומן מייצר טיפות שומן (Lipid Droplets)", מסביר פרופ' גפן. "הטיפות הללו מתמזגות זו בזו לידי טיפות גדולות יותר ויותר, עד שכל החלל התאי מתמלא בטיפת שומן אחד גדולה. הלחץ הפנימי הזה מאלץ את התא, ובסופו של דבר את הרקמה כולה, להתרחב, כלומר להשמין. אבל אנחנו חשדנו שיש תכונות מכניות נוספות, מלבד ההתרחבות, שתורמות להשמנה".

 

כדי לבחון את המכניקה של תהליך ההשמנה, פרופ' גפן ועמיתיו השתמשו במיקרוסקופ כוח אטומי, המסוגל למדוד התנגדות מכנית ברמה התא וברמת אברוני התא. "הוכחנו שטיפות השומן משפיעות לא רק על גודל התא, אלא גם על קשיות התא", אומר פרופ' גפן. "אם אני תא שומן ואני מתרחב ומתקשה, אז אני דוחק את התאים שלידי באופן של העמסה מכנית סטטית. התוצאה היא כדור שלג או מעגל קסמים: תא שומן שמייצר שומן דוחק מכנית בתאי השומן האחרים גם כן לייצר שומן באופן מואץ. זו למעשה המקבילה התאית לישיבה ממושכת על כיסא או לשכיבה ממושכת על המיטה. מהרמה התאית ועד לרמה הגופנית, הצלחנו להראות איך אורח חיים סטטי מעודד השמנה - בנפרד מהתזונה, מהגנטיקה ומשאר הגורמים המשפיעים על משקל הגוף".

 

לפי ארגון הבריאות העולמי, כחצי מיליארד בני אדם סובלים מעודף משקל, והוא אחד מחמשת גורמי התחלואה העיקריים בעולם. "אם נדע איך לערוך מניפולציות מכניות לתאים הללו, נוכל להפחית שומן מאנשים הסובלים מעודף משקל ולהוסיף שומן לאנשים שסובלים מתת משקל בדרכים אחרות מלבד משטרי תזונה. אפשר גם לחשוב על יישומים נוספים, משתלים טבעיים לשדיים ועד לגירוי מכני לרקמות השומן של אסטרונאוטים בשהיות ארוכות בחלל. בימים אלו אנו מפתחים דגמים ניסויים וממוחשבים נוספים על מנת לבחון תאי שומן תחת משטרים שונים של העמסה מכנית".

אוניברסיטת תל אביב עושה כל מאמץ לכבד זכויות יוצרים. אם בבעלותך זכויות יוצרים בתכנים שנמצאים פה ו/או השימוש שנעשה בתכנים אלה לדעתך מפר זכויות, נא לפנות בהקדם לכתובת שכאן >>
אוניברסיטת תל-אביב, ת.ד. 39040, תל-אביב 6997801
UI/UX Basch_Interactive