אף מלאכותי לאבחון מוקדם ומהיר של מחלת הסרטן

האם לסרטן יש ריח? יכול להיות, אולי לא בדיוק במובן המקובל של "ריח", אבל אין ספק שיש לו סמנים מיוחדים היכולים להתגלות ע"י אף בעל חוש ריח מפותח - אף של כלב, לדוגמא.

אחד הקרבות במלחמה במחלות הסרטן השונות הוא הקרב על הגילוי המוקדם. הרבה מאמצים ואמצעים מושקעים בכיוונים שונים ולעיתים אף מפתיעים, במטרה לצמצם ככל הניתן את טווח הגילוי המוקדם של הסרטן ובכך להגדיל את הסיכויים להצלחת הטיפול במחלה. מחקרים כבר הצביעו על כך שכלבים, לדוגמא, מסוגלים לזהות סרטן בשד או בריאה כבר בשלבים המוקדמים של המחלה, בדיוק שמגיע לעיתים אף ל-90% (*).

האף האלקטרוני של ד"ר חאיק, ראש המעבדה להתקנים מבוססי-ננו חומרים בפקולטה להנדסה כימית ומכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה בטכניון, ומרכז מארי קירי למצוינות במערכות הרחה מלאכותיות, מתקרב לרמת הרגישות של מערכת ההרחה הכלבית, מבלי שיהיו לו את החסרונות שיש לבעל חיים – המערכת לא מתעייפת אף פעם, היא לא מושפעת מהפרעות וגירויים סביבתיים כמו כלבים ועוד.

מחקריו של ד"ר חאיק זוכים לתהודה בינלאומית רחבה, והוא זכה בפרסים רבים על מחקרו החלוצי. לאחרונה זכה במענק מצוינות בסך 1.73 מיליון יורו מהאיחוד האירופי, לפיתוח האף האלקטרוני. זהו בעצם, המענק הגדול ביותר שקיבל מדען ישראלי יחיד מהאיחוד האירופי. בכספי המענק נבנתה המעבדה להתקנים מבוססים ננו-חומרים, וגויס צוות בינלאומי של 17 חוקרים להמשך הפיתוח של האף האלקטרוני. 

המערכת של ד"ר חאיק מורכבת משני חלקים אשר יוצרים יחד את האף האלקטרוני. האחד הוא מערך חיישנים לספיחת חומר או תערובת חומרים אותם רוצים לגלות. החלק השני הוא תבנית לזיהוי החומרים, המדמה את פעולת המוח האנושי.המערכת, הנחשפת לחומר נתון, "לומדת" לזהותו ומציגה אותו בתבנית גרפית ייחודית לו. היא "זוכרת" את החומר ואם מופיעה אותה תבנית של החומר בעתיד, היא תזהה אותו שנית."האף האלקטרוני מסוגל להבחין בין מחלות שונות, כשם שהוא מסוגל להבחין בין פפסי לקוקה קולה", מסביר ד"ר חאיק. "כשמתחילה להתפתח בגוף מחלה, נפלטים חומרים אורגנים מסוימים אל מחזור הדם. כיום ידועים מאות חומרים אורגנים המאפיינים מחלות ממאירות".

איך "מריחים" מחלה

הקושי הגדול בזיהוי החומרים הנפלטים מהגידול, הוא ריכוזם הנמוך מאד – אחד למיליארד לערך - בין כל החלקיקים המרחפים באוויר הננשף. "רוב הטכנולוגיות הקיימות כיום לא מסוגלות להגיע לאבחנה כזו, של חלקיק אחד למיליארד, אלא לזיהוי של עד חלקיק אחד למיליון, בעוד שהכלב אכן מסוגל לכך!", מדגיש ד"ר חאיק.
הפתרון לבעיה נמצא בזכות הננוטכנולוגיה. "מדובר בטכנולוגיה חדישה המבוססת על מזעור", מסביר ד"ר חאיק. " כל חיישן ממוזער לגודל של מיליארד מטר (אחד חלקי 100 אלף מקוטר שערה). נוצר שטח פנים גדול מאד, המאפשר ספיחה יעילה וגבוהה".

"תארי לך שאני אוחז בידי השמאלית מטיל זהב במשקל קילוגרם אחד, ובידי הימנית ננו חלקיקי זהב באותו המשקל. שטח הפנים של הזהב ביד ימין גדול פי מאה אלף משטחו של הגוש ביד שמאל, ומאפשר לספוח הרבה יותר חלקיקים, וכך הסיכוי לזיהוי גבוה בהרבה", מתאר ד"ר חאיק בצורה מוחשית את אחד היישומים של הננוטכנולוגיה.

 

 

המערכת שפיתח ד"ר חאיק משלבת ננו מתכות המיוצרות במעבדתו עם התקנים חשמליים (טרנזיסטורים). השילוב בין ננו-חומר לטרנזיסטורים חשמליים מביא לשינוי בהתנהגותו החשמלית כאשר הוא נחשף לחומר הנבדק, משמע שינוי בתכונותיו החשמליות. השינוי בהתנהגות החשמלית מתורגם לאות גרפי ממוחשב.הננו-חלקיקים נבנו כך שיספחו רק חומרים שמקורם בגידול הממאיר, בעוד שחומרים אחרים אינם נספחים אליהם.האף האלקטרוני מורכב ממשאבת אוויר, פילטר לסינון מזהמים חיצוניים ומערך של חיישנים. כל חיישן משדר סיגנל בהתאם לחומרים שהוא "יודע" לאבחן. כך ניתן לאפיין את רוב משפחות החומרים האופייניות לאותה מחלה, ואותה מערכת מתוכננת לאבחנה מבדלת של מחלות שונות.כיצד נבטיח שלא נחמיץ שום סמן למחלה? המערכת מתוכננת לרמת זיהוי נמוכה יותר, פי 10 עד 100, מרמת ריכוז החלקיקים תוצרי מחלת הסרטן.

ד"ר חאיק וצוותו הצליחו להראות בתנאי מעבדה שהמערכת מבדילה בין בריא לחולה, והצליחו לחזור על כל התוצאות בצורה עקבית. תיאורטית, 95% ממחלות הסרטן ניתנות לזיהוי ע"י האף האלקטרוני בתנאי מעבדה. אבל, תנאי המעבדה הם מבוקרים ואידיאלים. מבחנו העיקרי של האף האלקטרוני הוא בשטח, בבדיקת חולים, ובבחינת מידת ההתאמה בממשק בין ההנדסה לרפואה. 

 

לפני כשנה, בעיצומה של מלחמת לבנון השנייה, החל שיתוף פעולה עם המחלקה האונקולוגית בקריה הרפואית רמב"ם בראשות הפרופ' אברהם קוטן. ניסוי קליני ראשון עומד לצאת לדרך, בו ישתתפו חולים בארבע המחלות הממאירות הנפוצות ביותר – סרטן השד, הערמונית, הריאות והמעי הגס. במחקר תיבדקנה דגימות אוויר הננשף מחולי סרטן בהשוואה לקבוצת ביקורת של מתנדבים בריאים. 

מטרת המחקרים הראשונים תהיה לאשר את יעילות המכשיר ומהימנותו בזיהוי מחלות ידועות שכבר זוהו ואופיינו בטכניקות המקובלות – בדיקות מעבדה לסמני סרטן בדם, ביופסיות ודימות (CT ו- MRI)."החולים ינשפו לשקיות אוויר, אשר יועברו לבדיקה במעבדה בטכניון. תתבצע השוואה בין הממצאים המעבדתיים לפרמטרים הקליניים של החולים אשר יבדקו", מסביר פרופ' קוטן.

אם נחזור לרגע לתחילת הכתבה אז "לסרטן אין ריח!" מדגיש פרופ' קוטן ומסביר, "אין המדובר בזיהוי של ריח במובן המקובל, אלא בזיהוי מולקולות (פרודות), המיוצרות ע"י הגידול ועוברות דרך מחזור הדם אל הריאות ומשם אל האוויר הננשף".

פרופ' קוטן מזהיר מפני התלהבות בטרם עת: "נכון להיום, אין לנו כל הכלים לנצל את האינפורמציה המתקבלת מהשימוש באף האלקטרוני, אך זהו נדבך חשוב בחקר מחלות הסרטן. עדיין מוקדם מדי בשלב זה לקבל החלטה טיפולית על סמך הממצאים, ללא הפנייה לבדיקות סקירה נוספות". מחקרים נוספים שמבוצעים בימים אלה במעבדות המחקר של ד"ר חאיק עשויים לספק את שאר הכלים הדרושים בעתיד.

דווקא עקב רגישותו הגבוהה של המכשיר בזיהוי חלקיקים בריכוזים אפסיים כמעט באוויר, חשוב לקבוע את ערך הסף, אשר רק מעבר לו יש להמשיך בבירור, מדגישים פרופ' קוטן וד"ר חאיק.פרופ' קוטן מעריך, שהיישום המעשי הראשון באף המלאכותי יהיה בשלב המעקב, יותר מאשר באבחון הראשוני של המחלה: "כמו בבדיקת סמני סרטן בדם, אם נקבע רמה בסיסית (baseline) של החומרים שמקורם בגידול, והם ייעלמו בבדיקות המעקב או רמתם תעלה חלילה, אפשר יהיה להעריך התקדמות או נסיגה במחלה".

בהמשך, יעמוד האף האלקטרוני למבחנו האמיתי, כאשר ייחשף בצורה 'עיוורת' לאנשים שמצבם הרפואי לא ידוע, והשאלה הגדולה היא - האם יוכל לזהות מהי מחלתם, ובאיזו שלב היא נמצאת.פרופ' קוטן: "אחד היתרונות של האף האלקטרוני הוא שהבדיקה מאד קלה לחולה, ואינה כרוכה בפעולות פולשניות מכאיבות או בקרינה, כמו גם בהמתנה מורטת עצבים לתשובה, המתקבלת באופן מיידי." במידה שהמחקר הקליני יצליח, המכשיר מיועד להיות חלק בלתי נפרד מהמרפאה העתידית, הן בזכות מחירו הזול והן בזכות ניידותו.

במקביל למחקרים הקליניים, ימשיכו ד"ר חאיק וצוותו באפיון האף האלקטרוני, ומציאת יישומים רפואיים נוספים. מאמץ מיוחד מוקדש להקטנתו. "כיום המכשיר דומה לטלפונים הסלולאריים משנות התשעים, והשאיפה היא לפתח מכשיר בגודל טלפון סלולארי בן זמננו", מסמן ד"ר חאיק את כיוון הפיתוח, "כאשר כל רופא יוכל להחזיק מכשיר כזה על שולחן העבודה במרפאתו, בתיקו או בכיסו".

(*) פורסם במאמר: "Diagnostic Accuracy of Canine Scent Detection in Early and Late Stage Lung and Breast Cancers"
(March 2006 issue of the journal Integrative Cancer Therapies published by SAGE Publications

ד"ר חוסאם חאיק

נולד בנצרת, בן 32 בלבד ומאחוריו כבר שורה של פרסים יוקרתיים ובהם המענק ע"ש מארי קירי למצוינות. השלים בהצטיינות תואר ראשון בהנדסה כימית באוניברסיטת בן גוריון ודוקטורט בהנדסה כימית בטכניון עם התמחות במיקרו אלקטרוניקה. בפוסט דוקטורט התמחה באלקטרוניקה מולקולארית במכון ויצמן וב- CALTECH שבקליפורניה. מתגורר בחיפה, נשוי לרנא, ובתחילת חודש ינואר 2008 נולד בנם הראשון, פאדי.
פרופ' אברהם קוטן


פרופ' אבהם קוטן

גדל בחיפה, למד רפואה באוניברסיטה העברית בירושלים, התמחה באונקולוגיה ברמב"ם ובאונקולוגיה קרינתית (רדיותרפיה) בארה"ב . פעיל בתחום המחקר הקליני באונקולוגיה קרינתית בארץ ובמסגרת הקבוצה האירופאית לחקר הטיפול בסרטן (EORTC), בה הוא משמש כחבר בועדת ההיגוי. נשוי לעדנה, אב למיכל ויונתן, ומתגורר בחיפה.​