NEWS

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח המהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. בלב קיימים ארבעה מסתמים האחראים לזרימה חד-כיוונית של הדם בתוך חללי הלב ומהם לכל איברי הגוף. כל אחד מהמסתמים אחראי על הכוונת הדם בין מדורי הלב השונים בכיוון אחד, בעת כיווץ העליות והחדרים, כדי שיגיע אל העורקים הגדולים ומשם לריאות ולשאר הגוף. לעיתים המחלות במסתמים נגרמות בשל שינויים במבנה הרקמות שלהם ובמרכיביהם, שמובילים להפרעה במעבר הדם ללב ולשאר איברי הגוף. ד"ר גיל מרום, מבית הספר להנדסה מכנית של הפקולטה להנדסה אוניברסיטת תל אביב עושה שימוש במודלים חישוביים שפיתח כדי לחזות את הפיזיקה של מערכת הלב וכלי הדם (המערכת הקרדיווסקולרית) וכך לשפר את הטיפול בחולה לב.

יתרונות המודלים החישוביים במתן הטיפול הנכון לחולה

מורכבות מערכת הלב, המשלבת סיבוכיות פיזיקלית בסדרי גודל שונים, היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים הנקראים גם סימולציות. פעולת שאיבת הדם בלב נגרמת על ידי התכווצות שריר הלב, כיוון זרימת הדם נקבע על ידי מסתמי הלב, בעוד התכווצות השריר נשלטת על ידי מערכת ההולכה החשמלית של הלב. מורכבות זו יחד עם המגבלות של ניסויים קליניים וניסויי מעבדה מסבירות בבירור את יתרונות המודלים החישוביים. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה. היכולת להשוות מקרים זהים, בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, תוך בידוד השפעה זו מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את התופעה. נוסף להשלכות הרפואיות החשובות של מחקר זה, המחקר מרתק גם מבחינה הנדסית. בניגוד למקרים הנדסיים "רגילים" בהם מאפייני הבעיה ידועים, כמו גאומטרית הגוף ותכונות החומר ממנו הוא מורכב, במקרים הביולוגים יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה ולמעשה המודלים מתבססים פעמים רבות על תהליך הנדסה הפוכה והנחות הנדסיות שונות.

המכניקה של מחלות מסתמי לב והטיפול בהן

מסתמי הלב הם שסתומים הבנויים מעלים גמישים. כאשר פעילותם תקינה הם מאפשרים זרימה חד כיוונית ומונעים זרימה חוזרת. בניגוד לשסתומים מכניים בשימושים הנדסיים, העלים הגמישים צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב, לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ולעבוד במשך הרבה מאוד מחזורי לב (כמחזור לשנייה במשך כל שנות החיים). מחלות מסתמי הלב הנפוצות ביותר הן היצרות של המסתם האאורטלי (אבי העורקים) ודליפה של המסתם המיטרלי. טיפולים אפשריים הם תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות זעיר פולשנית של השתלת מסתם בצנתור. אך לכל סוגי הטיפולים הללו ישנם סיבוכים אפשריים שכמובן עדיף להימנע מהם.

המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול ולהעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים. לדוגמה, תוצאות המודלים הקודמים שלנו עוזרות למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור לטיפול בהיצרות המסתם אבי העורקים אנחנו יכולים, על פי תוצאות הסימולציות, להמליץ על גודל המסתם המתאים, מיקום ההשתלה האופטימלי, ודרכי ההשתלה כדי להפחית את הסיכוי לדליפות, תזוזה של המסתם המושתל בגלל התכווצות הלב, ופגיעה בהולכת החשמל בלב בגלל לחצי מגע שהשתל מפעיל על הלב. אותן מסקנות יכולות לעזור גם בתכנון מסתמים תותבים חדשים עם תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה.

במחקרים שנערכים עכשיו בקבוצה של ד"ר מרום, מנסים להבין את מנגנוני קרישת הדם על עלי המסתמים המושתלים. המודלים בהם אנו נעזרים בנושא זה, מבוססים על הידע שקרישת הדם נגרמת בגלל מאפיינים מכניים של זרימת הדם, כגון חשיפת טסיות הדם למאמצי גזירה, משך זמן החשיפה, או משך הזמן שהטסית נעצרת במקום בגלל מערבולות. כמו כן, מאפייני הזרימה קובעים גם את סוג קרישי הדם שעלולים להיווצר, תסחיפים או דווקא קרישה על עלי המסתם אשר גורמים להם להתעבות ולהפסיק לתפקד. שיטות דומות עוזרות לנו להבין טוב יותר את אי-ספיקת, או דליפת, המסתם המיטרלי עם מטרה שידע זה יעזור לתת מענה למרבית החולים שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "אחת הסיבות העיקריות שעדיין לא הצליחו לפתח פתרון התערבותי לחולים אלו היא שלמסתם זה יש אנטומיה ופעולה מכנית מסובכים הרבה יותר מאשר במסתם אבי העורקים. הבנה טובה יותר של תפקודו תעזור לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים במסתם זה ולשפר את איכות חיי החולים" מסביר ד"ר מרום.

דוגמא למודלים של פעילות הלב במצב מכווץ ורפוי (צד ימין) ושל זרימת הדם דרך מסתם תותב (צד שמאל)

לאתר קבוצת המחקר

אלה שמתאהבים בבעיה הם אלה שממציאים לה פתרון

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

החוקרת ד"ר בת אל פנחסיק מפתחת מערכות ביומימטיות, המחקות פתרונות של חיות מדבריות לבעיית המים. במעבדה שלה Biomimetic Mechanical Systems and Interfaces מתמקדמים בביומימטיקה. כלומר, לומדים מאופן פעילותן של חיות בטבע, למשל חרקים וזוחלים, על מנת למצוא פתרון לבעיות אנושיות. את הפתרונות הטבעיים מתרגמים לשימוש בחומרים חכמים שהופקו במעבדה, ומנגנונים פיסיקליים והנדסיים, למשל רובוטים, שמחקים את פעולות החרקים והזוחלים.

החוקר ד"ר הרמן האושטיין המתמקד במעבדה שלו MyFET Lab בתחומים של מעבר חום והזרימה בסקאלות מיקרו, מנגנוני קירור שקוטרם הוא בסדר גודל של עובי שערה בודדת. כיום אחד הגורמים המגבילים את תעשיית האלקטרוניקה היא צפיפות הרכיבים שדורשים הספקת חשמל. מצד אחד המהנדסים במעבדה רוצים להצליח להכניס כמה שיותר רכיבים בשטח קטן מאוד, מה שגורם לרכיב להתחמם מאוד, ומצד שני – למצוא דרכים להוציא מהם את החום באופן הכי יעיל. על מנת לקרר את הרכיבים יש צורך באספקת זורם קר, שיסלק את החום מתוך מערכים בסדר הגודל של מיקרונים (עובי שערה הוא 100-50 מיקרון). המחקר של ד"ר האושטיין וצוותו תורם לתכנון מערכות אלקטרוניות מורכבות כגון מחשבים, מערכות נשק ומכשור רפואי.

הכנסו לקישור לכתבה המלאה: https://www.tau.ac.il/article/using-every-drop