RESEARCH

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

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.

גליון נייר שטוח ונייר מקומט עשויים מאותו החומר. אולם הגליון שטוח וגמיש, והדף המקומט קשיח וכדורי: הקימוט משנה את ההתנהגות של הנייר. "הנייר המקומט הוא מה שאנו מכנים מטא-חומר מכני: אם נשנה את הצורה שלו, הוא ישנה את התכונות שלו", אומר פרופ' יאיר שוקף, אחד השותפים למחקר והעומד בראש קבוצת המחקר בבית הספר להנדסה מכנית באוניברסיטת תל אביב.

טעות מכוונת מראש

תובנות חדשות מגיעות משיתוף פעולה בין אוניבריסטת תל אביב, אוניברסיטת ליידן ומכון AMOLF באמסטרדם. גב' אן מואסן, ד"ר ארדל אוגוז, פרופ' יאיר שוקף ופרופ' מרטין ון-הקה תכננו במכוון טעות במטא-חומר, פגם טופולוגי, וחקרו את ההשפעה שלו. "קיבלנו השראה ממסכי LCD. הם מייצרים צבעים שונים באמצעות מערכים של גבישים נוזליים קטנטנים. כשיוצרים פגמים במערכים האלה - כמו למשל כשלוחצים עם אצבע על המסך – מפרים את הסדר ומקבלים קשת של צבעים. פגמים משנים את הפעולה של המסך שלך."

השתלת פגמים באופן נשלט לתוך מטא-חומר אינה משימה קלה. צוות המחקר המציא חומר תיאורטי: מבנה שטוח, עשוי מאבני בניין משולשות, שהצדדים שלהן זזים בבליטות כלפי חוץ או שקעים כלפי פנים. בחומר מושלם, כל אבני הבניין משתלבות כמו בפאזל: כל בליטה ממוקמת מול שקע. אבל מה קורה אם מסובבים שורה של אבני בניין בפאזל, והחתיכות לא יכולות להשתלב יחד? "זה מה שאנו מכנים פגם גולבלי, או טופולוגי", מסביר פרופ' שוקף. "זוהי חוסר אחידות שלא ניתנת להסרה על ידי סיבוב של אבן בניין אחת בלבד".

תופעות מרחביות

הצוות השתמש בהדפסה תלת-ממדית על מנת לייצר את המטא-חומר הזה, שעשוי אבני פאזל מחוברות. המבנים שהודפסו איפשרו להראות איך פגם טופולוגי מייצר התנהגויות מפתיעות. החומר המושלם רך כשלוחצים עליו משני צדדים, אבל החומר הפגום שונה: צד אחד שלו מרגיש רך והשני קשיח. התופעה הזו מחליפה צדדים כשלוחצים בצד אחד ומושכים בצד השני: חלקים קשיחים הופכים רכים, וחלקים רכים הופכים קשיחים.

פרופ' שוקף אומר: "התנהגות לא סימטרית זו כתוצאה מפגם טופולוגי לא נראתה קודם. מצאנו דרך לייצר פגמים כאלה באופן מבוקר. בגלל שפיתחנו חוקי תיכנון כלליים, כל אחד יכול להשתמש ברעיונות שלנו. זו דרך חדשה להתבונן על מטא-חומרים מכניים: אנחנו משתמשים בעקרונות מפיזיקה של חומר מעובה וממתמטיקה על מנת לחקור מכניקה של חומרים. זה נפלא לראות איך חוקרים מתחומים שונים מקבלים השראה מהתוצאות שלנו".

מטא-חומרים מורכבים הנבדלים רק בכיוון של שתי אבני בניין (ירוק) מגיבים באופן מאוד שונה ללחיצה מכנית (צהוב). חצים מסמנים הזזות וצבעים מייצגים כוחות מכנים.

מן העיתונות

למאמר המלא ב Nature Physics

למאמר המשך

לסרטון הסבר

לכתבה המלאה בידען

לכתבה המלאה ב New-Tech

לראיון המלא הקליקו

ד"ר גילי ביסקר מהמחלקה להנדסה ביו רפואית ומנהלת המעבדה לאופטיקה, ננו-טכנולוגיה, וביופיזיקה, הצטרפה 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.

לינק למאמר 

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון