ניטור הפעילות האנזימטית וגילוי מעכבים של כולינאסטרז באמצעות ננו-צינוריות פחמניות בדגימות דם

לאחר שאצטילכולין מעביר את האות העצבי שלו באמצעות היקשרות לקולטן המטרה בתאי העצב או בצמתים של תאי עצב ושריר, עליו לעבור במהירות חיתוך על ידי אנזים הנקרא אצטילכולינאסטרז כדי למנוע סיכון של עירור יתר של הקולטנים. הפירוק הביולוגי הזה קריטי כמו הקישור עצמו, על מנת להבטיח שפעילות השרירים תתרחש בדיוק בזמן המתאים ובצורה מווסתת.

אנזימים הינם חלבונים שעוזרים בפירוק של מולקולות שונות בגופנו ומשחקים תפקיד חיוני במגוון רחב של תהליכים ביולוגיים. אנזימים מסוג כולינאסטרז, אחראים לפירוקו של אצטילכולין למולקולת כולין, מהן ניתן אחר כך לייצר מולקולות חדשות של אצטילכולין. כאשר יש עיכוב או האטה בפעילות של האנזימים הללו, ריכוז האצטילכולין עולה יתר על המידה ויכול לגרום לשרשרת של בעיות בריאותיות- החל מהאטה בקצב הלב עד שיתוק, ואפילו במקרים קיצוניים, למוות.

מעכבים של אנזימי כולינאסטרז יכולים להימצא בנשק כימי, לדוגמה גז העצבים סרין, וכן בחלק מחומרי ההדברה המשמשים בחקלאות. כאשר חומרי ההדברה הללו מעכבים את פעילות אנזימי הכולינאסטרז, הם פוגעים במזיקים אך גם בבעלי חיים ובבני אדם שנחשפו לחומר. לעומת זאת, מינונים נמוכים של מעכבי כולינאסטרז משמשים לטיפול במחלות כמו אלצהיימר, פרקינסון, וחולשת שרירים. לכן, מעקב אחר פעילות ועיכוב אנזימים מסוג כולינאסטרז הינו בעל חשיבות גדולה.

במחקר שפורסם בעיתון Small, הראו חוקרות ממעבדתה של פרופ' גילי ביסקר כיצד ניתן לעקוב אחר פעילות אנזימי כולינאסטרז וגם לגלות נוכחות של מעכבים של אותם אנזימים. המעקב נעשה בדגימות דם באמצעות ננו-צינוריות מפחמן המוחדרות לדגימה. לננו-צינוריות מבנה דמוי גליל חלול שקוטרו 1-2 ננומטר (הקטן פי 100,000 מעובי שערה אנושית!) ואורכו מאות ננומטרים, והן פולטות פלואורסנציה (אור) בטווח האינפרה-אדום הקרוב, בו דגימות ביולוגיות הינן בדרך כלל שקופות. חשוב לציין שהננו-צינוריות אינן רעילות, וקל יחסית לשפעל אותן על ידי עטיפת פני השטח שלהן באמצעות מולקולות שונות. במחקר, הננו-צינוריות שופעלו ע״י מולקולות מריסטואילכולין, המחקות את מולקולת האצטילכולין הטבעית בכך שיש בהן אתר מטרה זהה לזה של האצטילכולין הטבעי. הכולינאסטרז מזהה את אתר המטרה במריסטואילכולין וכתוצאה מכך, מולקולת המריסטואילכולין, בדיוק כמו אצטילכולין, יכולה לעבור פירוק על ידי האנזים לשתי מולקולות – אחת מהן היא כולין. כאשר החיישן המבוסס על הננו-צינוריות הפחמניות שעטופות מריסטואילכולין בא במגע עם דגימת דם המכילה באופן טבעי את האנזים כולינאסטרז, נוצר שינוי בעוצמת האור שפולטות הננו-צינוריות בטווח האינפרה-אדום הקרוב וכך הן מהוות כלי לניטור ישיר של פעילות האנזים. את השינוי בעוצמת פלואורסנציה ניתן לכמת ע״י מיקרוסקופ פלואורסנטי וגלאי הרגיש לטווח האינפרה- אדום, ובכך להסיק מהו ריכוז הכולינאסטרז הפעיל בדגימה. בנוסף, ניתן לגלות נוכחות של מעכבים של האנזים, כמו חומרי הדברה (זרחנים אורגניים), כאשר לא הודגם שינוי בפליטת האור של הננוסנסורים.

מרכיב עיקרי של המחקר הוא יעילותן של הננו-צינוריות הפחמניות בניטור הפעילות וגילוי מעכבים של אנזימים מסוג כולינאסטרז אפילו בנוזלים ביולוגים מורכבים, כמו דם, המכיל מרכיבים רבים שהיו יכולים להפריע לעבודת החיישן. דבר זה מתאפשר בזכות התכונות האופטיות הייחודיות של הננו-צינוריות שפולטות פלואורסנציה בטווח האינפרה-אדום הקרוב, ובזכות הבחירה המושכלת במולקולות שעוטפות את הננו-צינוריות המחקות את האתר הפעיל של אצטילכולין. מכיוון שזהו אתר המטרה הטבעי של האנזים, הדבר מבטיח את הרגישות והספציפיות של הסנסור.

באיור ניתן לראות את איקטוב (שפעול) הננו-צינוריות ע״י מריסטואילכולין, שינוי הפלואורסנציה של הננו-צינוריות בעקבות פעילות האנזים כולינאסטרז, וחוסר השינוי בנוכחות מעכבים.

המחקר, בהנחיית פרופ' גילי ביסקר, הראה בפעם הראשונה שימוש בננוסנסורים שפולטים אור בטווח האינפרה-אדום הקרוב ככלי לניטור פעילות אנזימים ו/או עיכובם בסביבות ביולוגיות מורכבות, כמו דם. פריצת הדרך הזו פותחת אפשרויות רבות לפיתוח מושכל של ננוסנסורים אופטיים לביו-סמנים (ביו- מרקרים) חשובים בדגימות בעלות רלוונטיות קלינית.

בתמונה: צוות החוקרות שהובילו את המחקר, מימין לשמאל: פרופ׳ גילי ביסקר, ד״ר סרשטה בסו, וד״ר עדי הנדלר-נוימרק.

המחקר מומן ע״י משרד הביטחון, הקרן הלאומית למדע, משרד המדע הטכנולוגיה והחלל, מועצת המחקר האירופית, וקרן צוקרמן. בנוסף תמכו במחקר מספר מרכזים באוניברסיטת תל אביב, ביניהם מכון מריאן-גרטנר לננו-רפואה, המרכז להתמודדות עם מגפות, מכון זימין למחקר הנדסי משנה עולם, ומרכז-על למחקר ולהנדסה רפואית של הלב וכלי הדם על שם ניקולס ואליזבת שלזאק.