מחקרים

המחקר הובל בשיתוף פעולה של שתי מעבדות: מעבדתה של פרופ' תלמה הנדלר יחד עם ד״ר ניצן לוביאניקר מבית הספר למדעי הפסיכולוגיה בפקולטה למדעי החברה ע"ש גרשון גורדון, הפקולטה למדעי הרפואה והבריאות ע"ש גריי באוניברסיטת תל אביב, ומכון סגול לתפקודי המוח במרכז הרפואי תל אביב (איכילוב), ומעבדתה של פרופ' אסיה רולס מהפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז באוניברסיטת תל אביב, יחד עם ד"ר תמר קורן הטכניון והמחלקה לפתולוגיה במרכז הרפואי תל אביב (איכילוב). כמו כן השתתפו במחקר חוקרים נוספים ממוסדות מובילים בארץ ובעולם.

במסגרת הניסוי השתתפו 85 מתנדבים בריאים. חלקם עברו אימון מוחי מיוחד בטכנולוגיית fMRI-נוירופידבק - שיטה שמאפשרת לאדם ללמוד לשלוט בפעילות אזורים מסוימים במוח בזמן אמת בעזרת חיווי מתגמל להצלחה. מטרת האימון המוחי הייתה להגביר פעילות באזור מרכזי במערכת התגמול המכונה VTA, שאחראי להפרשת דופמין בהקשר של פעילות מנטלית של ציפייה לתוצאות חיוביות ומוטיבציה להשגת תגמול. הנבדקים הונחו לשנות פעילות מוחית בעזרת פעולות מנטליות שונות על יד מעקב אחר החיווי החיובי. מיד לאחר סיום האימון המוחי קיבלו כל המשתתפים חיסון נגד הפטיטיס B.

החוקרים עקבו אחר תגובת מערכת החיסון באמצעות בדיקות דם חוזרות, שבדקו את רמות הנוגדנים הספציפים שנוצרו בעקבות החיסון. התוצאות הראו כי משתתפים שהצליחו להגביר בצורה משמעותית יותר את פעילות אזור התגמול במוח הראו גם עלייה גדולה יותר ברמות הנוגדנים לאחר החיסון. הקשר נמצא ספציפי לאזור ה-VTA ולא הופיע באזורים מוחיים אחרים ששימשו לצורכי ביקורת (כמו היפוקמפוס), או אזורי מערכת התגמול שקשורים לאפקטים אחרים של תגמול כמו הנאה ושביעות רצון. כלומר האפקט היה ספציפי אטומית וגם מנטלית.

^{מימין: פרופ' אסיה רולס וד"ר תמר קורן}

הפוטנציאל הטמון בשילוב בין מדעי המוח, פסיכולוגיה ורפואה

מעבר לכך, ניתוח מעמיק של האסטרטגיות המנטליות שבהן השתמשו המשתתפים במהלך האימון של ה-VTA (ולא אזורים אחרים), גילה כי אלו שהתמקדו בציפייה חיובית - תחושת התרגשות, אמונה בתוצאה טובה או ציפייה למשהו חיובי שעומד לקרות (אוכל שאוהבים או מפגש מרגש), הצליחו לשמר פעילות מוחית גבוהה יותר ב-VTA לאורך זמן, מה שנקשר גם לתגובה חיסונית טובה יותר. כלומר, נמצא קשר בין פעילות מוחית במערכת התגמול, מצב מנטלי של ציפיה חיובית ותגובה גופנית לאתגר חיסוני.

לדברי צוות החוקרים, אין מדובר ב"חשיבה חיובית" במובן הפופולרי או בסיסמאות ניו־אייג', אלא במנגנון מוחי־ביולוגי מדיד בין השאר גם לאפקט הפלסבו המוכר ברפואה (תגובה טיפולית מעבר להתערבות רפואית ספציפית). "אנחנו מראים שלמצבים מנטליים יש חתימה מוחית ברורה, ושחתימה זו יכולה להשפיע על מערכות פיזיולוגיות כמו מערכת החיסון", מסבירות החוקרות.

^{ד"ר ניצן לוביאניקר}

למרות שהמחקר אינו מציע תחליף לחיסונים או טיפול רפואי, הוא פותח פתח לגישות חדשות ולא פולשניות שעשויות בעתיד לחזק תגובות חיסוניות, לשפר יעילות טיפולים רפואיים ואף לתרום לתחומים כמו אימונותרפיה והתמודדות עם פתולוגיות חיסוניות כרוניות. החוקרות מציינות כי המחקר מדגיש מסר רחב יותר: הקשר בין גוף לנפש אינו רק רעיון תיאורטי – אלא תהליך ביולוגי ממשי, שניתן למדוד, לאמן ואולי גם לרתום לטובת הבריאות.

צוות המחקר מוסיף כי הממצאים מדגישים את הפוטנציאל הטמון בשילוב בין מדעי המוח, פסיכולוגיה ורפואה. "המחקר שלנו מראה שהמוח אינו רק גורם שמגיב למצב הבריאותי של הגוף, אלא גם שחקן פעיל שמשפיע עליו", אומרים פרופ' תלמה הנדלר, פרופ' אסיה רולס, ד״ר ניצן לוביאניקר וד"ר תמר קורן. "היכולת להפעיל באופן מודע מנגנונים מוחיים הקשורים לציפייה חיובית פותחת כיוון חדש למחקר ולטיפולים עתידיים, כתוספת לרפואה הקיימת, ולא כתחליף לה. בעתיד, ייתכן שנוכל לפתח כלים פשוטים ולא פולשניים שיסייעו לחיזוק תגובות חיסוניות ולשיפור יעילות טיפולים רפואיים, תוך הישענות על היכולת הטבעית של המוח להשפיע על הגוף. עם זאת, חשוב להדגיש כי הפעלת מערכת התגמול והשפעתה על התגובה החיסונית משתנות בין אנשים, ולכן אינן יכולות להחליף טיפולים רפואיים קיימים, אלא לכל היותר לשמש מרכיב משלים".

^{פרופ' תלמה הנדלר}

מחקר בינלאומי רחב היקף, בהובלת חוקרים מהפקולטה למדעי הרפואה והבריאות ע"ש גריי, חשף מנגנון שמאפשר לסרטן השד לשלוח גרורות למוח - תופעה קטלנית ביותר שעד היום אין לה טיפול יעיל. הממצאים החדשים עשויים לאפשר פיתוח של תרופות חדשות ומעקב ממוקד ואישי לגילוי וטיפול מוקדם לגרורות במוח.  

המחקר פורץ הדרך בוצע בהובלת פרופ' אורי בן-דוד ופרופ' רונית סצ'י-פאינרו, והחוקרות ד"ר קתרין לאו וד"ר סבינה פוצי, ממעבדותיהם בפקולטה למדעי הרפואה והבריאות, בשיתוף פעולה עם עשרות חוקרים מ-14 מעבדות ב-6 מדינות (ישראל, ארה"ב, איטליה, גרמניה, פולין ואוסטרליה). המאמר פורסם בכתב העת Nature Genetics.

מה קובע לאן תישלח גרורה?

"מרבית מקרי המוות של חולי סרטן לא נגרמים על ידי הגידול הראשוני אלא על ידי הגרורות שהוא שולח לאיברים חיוניים", מסבירה פרופ' סצ'י-פאינרו. "מבין אלה, גרורות במוח הן בין הקטלניות ביותר וגם הקשות ביותר לטיפול. אחת השאלות החשובות והבלתי פתורות בחקר הסרטן היא מדוע גידולים מסוימים שולחים גרורות דווקא לאיברים ספציפיים ולא לאחרים. למרות חשיבות התופעה, מעט מאוד ידוע על הגורמים והמנגנונים שמאפשרים אותה. במחקר זה שילבנו כוחות על מנת להעמיק את הבנתנו ולחפש תשובות".

המחקר הנוכחי שילב בין שתי גישות שונות לחקר הסרטן: המעבדה של פרופ' סצ'י-פאינרו, שחוקרת את הקשרים בין תאי סרטן לסביבתם בגוף (מיקרו-סביבה), והמעבדה של פרופ' בן-דוד, שחוקרת שינויים כרומוזומליים אשר מאפיינים תאים סרטניים. במסגרת המחקר המורכב, נעזרו החוקרים במספר רב של שיטות וטכנולוגיות מדעיות: ניתוח נתונים קליניים וגנומיים מחולות סרטן, ניסויים גנטיים, ביוכימיים, מטבוליים ופרמקולוגיים בתאי סרטן בתרבית, וניסויים פונקציונליים בעכברים.

^{פרופ' אורי בן דוד ופרופ' רונית סצ'י פאינרו} 

תחילה גילו החוקרים שינוי כרומוזומלי ספציפי בתאי סרטן השד שמנבא סיכוי גבוה לגרורות במוח. פרופ' בן-דוד מסביר: "מצאנו שכאשר כרומוזום מספר 17 בתא סרטני מאבד עותק מהזרוע הקצרה שלו, גדלים הסיכויים שהתא ישלח גרורות למוח. עוד חשפנו שהסיבה לכך היא אובדנו של גן חשוב שנמצא על גבי הזרוע הזו. הגן הזה הוא p53, שזכה לכינוי 'שומר הגנום', וממלא תפקיד חשוב בבקרה על הגדילה וההתחלקות של תאים. גילינו שהיעדרו של p53 תקין הוא הכרחי ליצירתן ולשגשוגן של גרורות סרטניות במוח. כשהזרקנו למוח של עכברים תאי סרטן עם ובלי  p53 תקין, מצאנו שהתאים שבהם פגענו בפעילות הגן שגשגו הרבה יותר. ביקשנו לברר מהו המנגנון שגורם לכך".

פרופ' סצ'י-פאינרו מוסיפה: "סביבת המוח שונה במהותה מסביבת השד של הגידול הראשוני, והשאלה היא כיצד תא של סרטן השד, המותאם לסביבה זו, יכול להסתגל לסביבת המוח הזרה. על פי הממצאים שלנו, הסתגלות זו קשורה קשר הדוק לפגיעה בגן p53. מצאנו ש- p53 מבקר ייצור של חומצות שומן, תהליך מטבולי אשר חיוני במיוחד בסביבה המוחית. המשמעות היא שתאים בהם p53 חסר או פגוע מייצרים יותר חומצות שומן בהשוואה לתאים תקינים, וכתוצאה מכך מצליחים לגדול ולהתחלק מהר יותר במוח".

האם נמצאה התרופה הפוטנציאלית לגרורות במוח?

בשלב הבא התמקדו החוקרים במרכיבי הסביבה המוחית, ובתקשורת בין תאי המוח לבין תאי הסרטן. הם זיהו תקשורת מוגברת בין תאי סרטן עם p53 פגוע לבין אסטרוציטים - תאי תמך במוח שמפרישים חומרים המסייעים לנוירונים. בהיעדר p53, משתלטים תאי הסרטן על החומרים המופרשים על ידי האסטרוציטים ומשתמשים בהם לצורך ייצור חומצות השומן. החוקרים זיהו אנזים ספציפי בשם SCD1, אנזים מפתח בייצור חומצות שומן, אשר רמות הביטוי והפעילות שלו גבוהות יותר בתאי סרטן בהם p53 פגוע או חסר.

פרופ' בן-דוד: "לאחר שחשפנו את המנגנון ואת השחקנים המרכזיים, ביקשנו להשתמש בממצאים כדי לחפש תרופה פוטנציאלית לגרורות במוח. בחרנו להתמקד באנזים SCD1 ובדקנו את היעילות של מספר תרופות שמעכבות את הפעילות שלו ונמצאות בפיתוח. תרופות אלו נועדו במקורן למחלות אחרות, אך אנחנו מצאנו שעיכוב של SCD1 בתאי גרורות עם p53 פגוע הוא אפקטיבי, ופוגע משמעותית בהתפתחות הגרורות הסרטניות הן בעכברים והן בדגימות מגרורות מוחיות של נשים חולות סרטן שד".

החוקרים מוסיפים שממצאיהם עשויים לסייע לרופאות ולמטופלות גם בהיבט של ניבוי התפתחות המחלה: כבר בשלב מוקדם של סרטן השד ניתן לזהות אם קיימת בתאים מוטציה בגן p53 (או מחיקה של הזרוע הקצרה של כרומוזום 17), אשר מגדילה משמעותית את הסיכון לגרורות במוח בהמשך. כך, לדוגמה, יוכלו הרופאים להימנע ממתן תרופות ביולוגיות אגרסיביות עם תופעות לוואי קשות למטופלות שאינן בסיכון גבוה לגרורות במוח, ולעומת זאת, להעדיף טיפול אגרסיבי כאשר הסיכון לגרורות במוח מוגבר. בנוסף, יוכל הרופא המטפל לבצע מעקב אשר מותאם לרמת הסיכון של החולה, כמו בדיקות תקופתיות של MRI ראש למטופלת בסיכון מוגבר לגרורות במוח. מעקב אינטנסיבי מסוג זה יאפשר גילוי וטיפול מוקדמים שיגדילו משמעותית את סיכויי ההחלמה.  

^{ד"ר סבינה פוצי וד"ר קתרין לאו}

"במחקר זה שילבנו כוחות במאמץ בינלאומי נרחב כדי לתת מענה לשאלה חשובה ביותר: מהו המנגנון שמאפשר לסרטן השד לשלוח גרורות למוח? מצאנו מספר מאפיינים של תאי הסרטן שקשורים בקשר סיבתי לתופעה הקטלנית, והממצאים אפשרו לנו להציע מטרות חדשות לפיתוח תרופות לגרורות במוח, תופעה שעד היום לא נמצא לה כל טיפול אפקטיבי. יתרה מכך, בחנו תרופות אשר פוגעות במנגנון מטבולי ספציפי, מעכבי SCD1, וגילינו שהן יעילות עבור הגרורות במוח. בנוסף, הממצאים שלנו צפויים להגביר את יכולתם של האונקולוגים לנבא אילו מטופלות מצויות בסיכון מוגבר, ולהיערך בהתאם. אמנם הדרך עוד ארוכה, אבל הפוטנציאל אדיר",  מסכמים החוקרים.

הפרויקט נתמך על-ידי מענקי מחקר תחרותיים מטעם הקרן הלאומית למדע (ISF), הקרן לחקר הסרטן בישראל (ICRF) וקרן הבנק הספרדי Fundacion “La Caixa”. כמו כן, הוא מהווה חלק ממחקר רחב המתבצע במעבדתה של פרופ' סצ'י-פאינרו, בתמיכת Advanced grant  של ה-European Research Council (ERC), ERC Proof of Concept (PoC) , וקרן קאהן, וכן חלק ממחקר רחב המתבצע במעבדתו של פרופ' בן-דוד, בתמיכת Starting grant  של ה-European Research Council (ERC).

לאחר מחקר קודם גילה כי המגפה שהשמידה את קיפודי הים באילת התפשטה לאוקיינוס ההודי ומאיימת להשמיד אוכלוסיות קיפודי הים בכל העולם - צמד מחקרים, ראשונים מסוגם, של חוקרים בהובלת ד"ר עמרי ברונשטיין מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז ומוזיאון הטבע ע״ש שטיינהרדט, קובע את הסיבות העיקריות לתמותות המוניות של קיפודי ים בעשרות השנים האחרונות: פתוגנים, סופות וטמפרטורות קיצוניות. כמו כן, ד"ר ברונשטיין וצוותו פיתחו שיטה חדשנית לדגימה גנטית בסביבות ימיות – באמצעות מטוש ובדומה לבדיקת הקורונה, בין היתר כדי לאפשר מעקב מהיר ולא פולשני אחר בעלי חיים ימיים והתפרצות של מגפות מתחת למים.

מטא-אנליזה של כלל הספרות המחקרית בנושא מאז 1888

המחקר הראשון, שפורסם ב-Biological Reviews, מציג מטא-אנליזה של 110 מקרי תמותה המונית (MMEs), בקרב קיפודי ים שנחקרו בין השנים 1888 ל-2024. ד"ר ברונשטיין והדוקטורנטית ליסה שמידט בחנו את כלל האירועים הידועים, מהם עולה שרוב התמותות דוּוחו בהמיספרה הצפונית - בעיקר בארה"ב, מערב אירופה ויפן, שם מרוכזים גם מרבית המחקרים והתקציבים.

החוקרים סיווגו חמישה גורמים מרכזיים לתמותות: 33% פתוגנים, 25% אירועים קטסטרופליים (כמו סופות ומיעוט חמצן), 24% טמפרטורות קיצוניות, 11% פריחת אצות ו-7% פעילות אנושית כגון זיהום והרס בתי גידול.

"מדובר במטא-אנליזה של כלל הספרות המחקרית בנושא", מסביר ד"ר ברונשטיין. "עבור כל אירוע תמותה מיפינו היכן ומתי התרחש, אילו מינים נפגעו ובעיקר - מה גרם לו. מתברר שפתוגנים הם הגורם המוביל לתמותה המונית בקרב קיפודי ים. הממצא הזה משקף היטב את מה שאנחנו רואים כיום בגל המודרני של תמותות - מהקריביים, דרך הים האדום ועד לאוקיינוס ההודי. יש נטייה לייחס הכול להתחממות הגלובלית, אך זה לא תמיד מדויק. לעיתים התמותה אינה קשורה ישירות לחום, שכן חלק מהמינים יכולים לחיות גם בסביבות חמות. הבעיה היא שההתחממות משפיעה על גורמים אחרים – כמו ירידה בחמצן המומס ועלייה בפעילות פתוגנים – ואלו כבר עלולים להוות שילוב קטלני".

מגפה עולמית מתחת לפני הים

בשנת 2023 זיהה ד"ר ברונשטיין תמותה המונית של קיפודי ים ממין נזרית ארוכת קוצים בים האדום, שנגרמה מאותו פתוגן, ריסנית, שהכחיד מין קרוב בקריביים. מאז התפשטה המגפה לאוקיינוס ההודי, שבה והתפרצה בקריביים, וכיום היא מוגדרת כפנדמיה שמאיימת על אוכלוסיות קיפודי ים ברחבי העולם.

"קיפודי הים חיוניים לבריאות שוניות האלמוגים", מסביר ד"ר ברונשטיין. "הם ה'גננים' של השונית: ניזונים מאצות ומונעים מהן 'לחנוק' את האלמוגים." הוא מזכיר כי ב-1983 התמוטטה אוכלוסיית קיפודי הים בקריביים, מה שהוביל להשתלטות אצות ושינוי המערכת משונית אלמוגים לשדה אצות, תהליך שלא תוקן גם אחרי 40 שנה. "אנחנו חוששים שאותו תהליך עשוי להתממש כיום גם באזורי תמותה המונית נוספים, בעיקר במין נזרית ארוכת הקוצים - קרוב משפחה של קיפוד הים הקריבי. אלה הקיפודים השחורים עם הקוצים הארוכים שכולנו מכירים. עד לא מזמן הם היו נפוצים בשונית האלמוגים באילת, וכיום כמעט שאינם קיימים בים האדום. מדובר באירוע מאוד אלים: בתוך פחות מ־48 שעות אוכלוסייה בריאה הופכת לשלדים מתפוררים. באתרים מסוימים באילת ובסיני התמותה הגיעה ל־100%".

לדבריו, תמותות דומות התגלו גם באי ראוניון שבאוקיינוס ההודי, וכעת נבחנים שלושה מקרים חדשים נוספים - באוקיינוס האטלנטי, האוקיינוס ההודי ואף בים התיכון. "כך אירוע מקומי הפך לאזורי ואז לגלובלי. זו סכנה לשוניות האלמוגים בעולם בכל מקום".

^{קיפוד הים Diadema setosum לפני (שמאל) ואחרי (ימין) התמותה}

"פיתחנו כלי חדש לדגימת דנ"א מתחת למים... הערכה כבר נבדקה בסביבות מאתגרות והתוצאות נראות מבטיחות ביותר"

בהמשך לכך, וכדי להתגבר על אחד האתגרים הגדולים באיסוף מידע גנטי בים, תלמידת המחקר מאי בונומו וד"ר עמרי ברונשטיין פרסמו מחקר נפרד בכתב העת Molecular Ecology Resources, שמטרתו פיתוח שיטה חדשה, זולה ולא פולשנית שמאפשרת איסוף דגימות גנטיות מתחת למים באופן נרחב.

"הכלים העיקריים שמשתמשים בהם היום כדי לזהות פתוגנים הם כלים גנטיים", אומר ד"ר ברונשטיין, "אבל תחום האקולוגיה המולקולרית סובל מבעיה בסיסית: אין דרך פשוטה לדגום דנ"א מבעלי חיים מתחת למים. לכן, מחקרים רבים נסמכים על דיגום פולשני שגורם נזק לבעל החיים הנדגם ואף דורש לא פעם את הקרבת בעל החיים כולו והבאתו למעבדה. לכן המחקר פועל תחת רגולציה מחמירה מאוד ששוקלת בכל מקרה את הערך המדעי מול ערכי שמירת הסביבה. למשל, חל איסור לדגום בעלי חיים באתרים שנחשבים לשמורות טבע ימיות, יש איסורים והגבלות על שילוח דוגמאות לחו"ל, כמו אלמוגים, ובכל פרסום מדעי יש צורך להציג את ההיתרים הרשמיים לכל דגימה שמוצגת בפרסום.

על רטוב: ערכה מיוחדת לאיסוף דגימות גנטיות מתחת למים

"הצורך שלנו למצוא פתרון לצוואר הבקבוק הזה נבע מתוך מגפת קיפודי הים. יש היום שתי דרכים לאתר קיפודים חולים: לראות בעיניים שהם חולים, ואז זה כבר מאוחר מדי – הקיפודים האלה גוססים. לחלופין, אפשר לזהות את המחלה לפני הופעת הסימפטומים, בעזרת כלים גנטיים, אבל אם לשם כך צריך להוציא אותם מהים – אין זה משנה אם הם חולים או שיתברר שלא, אם בכל מקרה הקרבנו אותם".

כדי לפתור את האתגר הגדול של האקולוגיה הימית, צוות המחקר פיתח ערכה מיוחדת לאיסוף דגימות גנטיות מתחת למים. הערכה אמידה, אמינה, זולה ופשוטה לתפעול – והיא כבר נכנסה לשימוש בקרב קבוצות מחקר שונות ברחבי העולם – בעיקר באזורים מרוחקים או רגישים במיוחד. 

^{ד"ר עמרי ברונשטיין והדוקטורנטית ליסה שמידט מדגימים כיצד הם לוקחים דגימה גנטית מקיפוד ים מתחת למים}

"פיתחנו כלי חדש לדגימת דנ"א מתחת למים, המזכיר בדיקת קורונה. בקצה מבחנה ייעודית המלאה בנוזל השימור ישנה ממברנה המונעת חדירת מים, ופקק עם קליפס, כמו בחלק ממשחות השיניים. ממש כמו בבדיקות קורונה, החוקר מעביר מטוש על פני בעל החיים הימי מבלי לגרום לו נזק או להזיז אותו ממקומו. אפילו אין צורך לדגום בריריות כמו בקרב בני האדם, מספיק להעביר עליהם בעדינות את המטוש. בהמשך, המטוש מוחדר למבחנה תוך כדי ניקוב הממברנה שמונעת חדירה של מים לנוזל השימור שבפנים, והפקק הלחיץ נסגר כדי לאבטח את הדגימה. זה כל הסיפור", מסביר ד"ר בורשטיין.

לדבריו, חוקר בודד יכול כך לאסוף מאות דגימות בצלילה אחת כמעט בכל תנאי סביבה ועומק המאפשרים צלילה. "הערכה כבר נבדקה בסביבות מאתגרות, כמו במשלחות שדה לג'יבוטי ולאי ריוניון, והתוצאות נראות מבטיחות ביותר: דוגמאות שעמדו אחר כך חודשים ללא קירור עד שהגיעו אלינו למעבדה נשמרו בצורה יוצאת מהכלל ואפשרו לבצע גם אנליזות גנטיות רגישות. בניסוי רחב היקף שביצענו עם השיטה החדשה כאן במפרץ אילת, הצלחנו תוך מספר חודשים לאסוף חומר גנטי ממאות קווצי עור במפרץ - קבוצה הכוללת את קיפודי הים, כוכבי הים וחבריהם - ולערוך את האנליזה הגנטית הנרחבת ביותר שאי פעם נעשתה על המינים הללו באזורנו, שהובילה לגילוי מספר מינים חדשים ולהגדרה מחודשת של מינים אחרים שלא ידענו על קיומם. מדובר בפתרון פשוט ואלגנטי לאחת הבעיות הטכניות המציקות ביותר בתחום האקולוגיה הימית", הוא מסכם.

לאחר שפיתחו טכנולוגיה חדישה המאפשרת גידול של "אצות מועשרות" באבות המזון, חלבונים, סיבים תזונתיים ומינרלים לצרכי האדם והחי, וגם הצליחו להגביר בצורה משמעותית את היכולת של אצות ים להפיק חומרי טבע בריאותיים - צוות המחקר מאוניברסיטת תל אביב ומהמכון לחקר ימים ואגמים מפרסם סקר אקולוגי–ביוטכנולוגי ראשון מסוגו, שמגלה כי הים התיכון הישראלי עשוי להוות מוקד טבעי לאצות ים עמידות ועשירות בתרכובות תזונתיות וביו־אקטיביות. החוקרים סבורים כי תכונות אלה עשויות להוות בסיס לחדשנות פורצת דרך בתחומי המזון, הבריאות והביוטכנולוגיה.

ירוק תוצרת כחול-לבן

צוות החוקרים ערך את הסקר המקיף הראשון של אצות הים בישראל. ממצאי המחקר מצביעים על כך שהתנאים הייחודיים לאורך חופי הים התיכון הישראלי, חמים, שטופי שמש ודינמיים, יוצרים בית גידול טבעי שתומך בצמיחת אצות ים (מאקרו־אצות), ייחודיות ועמידות, עשירות בתרכובות מזינות ובמולקולות בעלות השפעה בריאותית. לדברי החוקרים, מדובר ב"אוצר ירוק" - משאב בר־קיימא שטרם נוצל, שמשמש בסיס לפיתוח מזונות־על, תרופות, וקוסמטיקה ידידותית לסביבה, ואפילו כבעל פוטנציאל משמעותי בסיוע להתמודדות עם שינויי האקלים.

המחקר נערך בהובלת ד"ר דורון יהושע אשכנזי בהנחיית פרופ' אביגדור אבלסון מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, ופרופ' אלווארו ישראל מהמכון לחקר ימים ואגמים בחיפה, בשיתוף עם ד"ר איתן סלומון מהמרכז הלאומי לחקלאות ימית באילת. שותפים נוספים למחקר: פרופ' פליקס פיגרואה וד"ר ג’וליה וגה מאוניברסיטת מאלגה שבספרד, גיא פז – מנהל המעבדה במכון לחקר ימים ואגמים, וד"ר שושנה בן וליד. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Marine Drugs.

משתלם לחכות לסוף העונה

במהלך מספר שנים אספו החוקרים כ־400 דגימות, וזיהו 55 מיני אצות, בעיקר אדומיות, לצד חומיות וירוקיות. בניגוד לדיווחים קודמים שהצביעו על שני שיאי ייצור עונתיים, המחקר הנוכחי מצביע על תקופת פריחה אחת בלבד באביב – עדות לשינוי במערכת האקולוגית, ככל הנראה כתוצאה מהתחממות הגלובלית.

העונתיות השפיעה באופן מובהק גם על הרכב החומרים באצות. הניתוחים הביוכימיים גילו כי האצות המקומיות מציגות תכולת חלבון גבוהה במיוחד בחורף, שמגיעה לעשרות אחוזים ממשקלן היבש, ומעידות על פוטנציאל להיות מקור חלבון חלופי לבני אדם ולבעלי חיים. רמות נוגדי החמצון הגיעו לשיא באביב, עם עלייה של כמעט 300% בחלק מהמינים בהשוואה לעונות אחרות. ממצאים אלו מדגישים את פוטנציאל האצות כמקור טבעי לתרכובות בריאותיות ולחומרים טיפוליים, שעשויים לתרום לחיזוק מערכת החיסון ולקידום אריכות ימים. האצות הכילו גם רמות גבוהות של תרכובות פנוליות ומסנני קרינה טבעיים – המתאימים לשימוש בתעשיית הקוסמטיקה האקולוגית.

"נוסף על היותה 'ארץ זבת חלב ודבש', התברכה ישראל גם בים ייחודי ומחיה - הים התיכון הישראלי"

"ישראל, הממוקמת בקצהו המזרחי של הים התיכון, התברכה בתנאים סביבתיים ייחודיים: אקלים סובטרופי שטוף שמש לאורך כל השנה, חופים סלעיים עם תנודות גאות ושפל נמוכות, ומליחות וקרינה גבוהות יחסית. מכלול גורמים אלה מעודד את התפתחותן של אצות ים בעלות תכונות כימיות יוצאות דופן, שפועלות כ'מפעלים ביולוגיים טבעיים' המייצרים תרכובות ביו־אקטיביות בריכוזים מרשימים. אנחנו מאמינים כי מחקר זה, לצד התחום המתפתח של חקר האצות, יכול להציב את ישראל בחזית הביוטכנולוגיה הימית העולמית. נוסף על היותה 'ארץ זבת חלב ודבש', התברכה ישראל גם בים ייחודי ומחיה – הים התיכון הישראלי", אומר ד"ר אשכנזי.

^{פרופ' אביגדור אבלסון וד"ר דורון אשכנזי}

פרופ' אלווארו ישראל מדגיש: "המחקר מספק תובנות חשובות על הגורמים הסביבתיים המשפיעים על צמיחת אצות הים ואיכותן, ומאפשר לתרגם ידע זה לשיטות מעשיות לגידול ימי. האצות מציעות יתרונות סביבתיים עצומים – הן אינן דורשות קרקע חקלאית, מייצרות חמצן, קולטות פחמן ומטהרות מים ממזהמים. הן ניצבות בחזית החקלאות הימית בת־הקיימא, תוך שילוב בין יתרונות סביבתיים להזדמנויות כלכליות".

ד"ר איתן סלומון מוסיף: "ממצאינו ממחישים את הפוטנציאל הביוטכנולוגי הלא מנוצל של אצות הים לעתיד האנושות – החל ממזונות פונקציונליים ותרופות ועד יישומי בריאות מתקדמים".

פרופ' אביגדור אבלסון מסכם: "הים התיכון הישראלי הוא מעבדה טבעית ייחודית. הוא יכול לשמש מודל להבנת השפעות שינויי האקלים על מערכות ימיות ולחזות אילו מינים עשויים לשגשג בעולם מתחמם. מעבר לערכו המדעי, האצות מייצגות משאב אסטרטגי לאומי ובינלאומי שיכול לסייע בהתמודדות עם אתגרי העתיד בתחומי ביטחון המזון, הבריאות והקיימות הסביבתית".

המחקר מוקדש לזכרו של ד"ר יצחק (איציק) בריקנר ז"ל, מהדמויות המיתולוגיות בביולוגיה הימית בישראל, לאות הוקרה לידידותו, הדרכתו והשראתו.

חוקרים מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב פיתחו שיטה פורצת דרך לתכנון רכיבים אופטיים זעירים בעזרת בינה מלאכותית. השיטה מאפשרת לעצב רכיבי אופטיקה שטוחים – המכונים מטא-משטחים – בתוך דקות ספורות בלבד, במקום שעות ואף ימים כפי שהיה נהוג עד כה. מדובר בקפיצת מדרגה משמעותית בתחום האופטיקה, עם פוטנציאל לשנות את הדרך בה מפתחים מצלמות, חיישנים, ומערכות מציאות רבודה.

המחקר נערך בהובלת תלמידי המחקר ליאב חן וארז יוסף, בהנחיית החוקרים פרופ' רג'א ג'יריס, פרופ' דן רביב ופרופ' קובי שויער, כולם מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת המדעי ACS Photonics

שינוי דרמטי בעולם האופטיקה

צוות החוקרים מסביר כי בעשורים האחרונים עולם האופטיקה עובר שינוי דרמטי: במקום עדשות ורכיבים אופטיים עבים וכבדים, חוקרים מפתחים "מטא-משטחים" — מבנים דקים במיוחד בעובי של כמה מאות ננומטרים (מיליוניות המילימטר), הבנויים ממבנים זעירים הנקראים מטא-אטומים. מטא-משטחים מסוגלים לשלוט בכיוון, בעוצמה ובקיטוב של אור, ובכך לבצע פעולות שבעבר דרשו רכיבים גדולים ויקרים.

תכנון של מטא-משטח הוא משימה הנדסית מורכבת במיוחד. מדובר בבעיית "תכנון הופכי" – כאשר ידוע כיצד רוצים שהאור יתנהג, אך לא ידוע כיצד צריך להיראות המבנה הפיזי שיגרום לכך. עד כה, פתרון הבעיה דרש סימולציות ממושכות שנמשכו לעיתים ימים שלמים.

במסגרת המחקר החדש החוקרים באוניברסיטת תל אביב הצליחו לקצר את התהליך באופן דרמטי באמצעות מודל דיפוזיה – סוג מתקדם של רשת עצבית גנרטיבית (Generative AI), הדומה למודלים היוצרים תמונות, אך כאן הוא משמש לעיצוב מבנים אופטיים זעירים.

בעתיד: עיצוב בזמן אמת של עדשות וחיישנים בהתאמה אישית

החוקרים יצרו מאגר עצום של דוגמאות הממפות בין מבנה של מטא-משטח לבין דפוס פיזור האור שהוא יוצר. המודל למד את הקשרים המורכבים הללו, ולאחר מכן הצליח לייצר עיצובים חדשים בזמן שיא – פחות מ־30 דקות – וברמת דיוק גבוהה מאוד.

החוקרים הדגימו את יעילות השיטה על מגוון משימות אופטיות, בהן עיצוב מטא-משטח המפצל קרן אור למספר כיוונים שווים, וכן רכיב שמפריד בין אור מקוטב אופקית לאור מקוטב אנכית – פונקציה חשובה במערכות אופטיות מתקדמות.

מעבר לכך, השיטה שפותחה גמישה וניתנת להתאמה למשימות חדשות, סוגי חומרים שונים ותנאים פיזיקליים מגוונים – הודות למנגנון ייחודי לבניית מערכי נתונים באיכות גבוהה לאימון המודל. לדברי החוקרים, השיטה החדשה ממחישה כיצד בינה מלאכותית גנרטיבית – טכנולוגיה המזוהה בעיקר עם יצירת אמנות ותמונות – יכולה להפוך לכלי מדעי והנדסי עוצמתי. בעתיד, גישות מסוג זה עשויות לאפשר עיצוב בזמן אמת של עדשות וחיישנים בהתאמה אישית, לייעל את תהליכי הייצור, ולתרום לפיתוח טכנולוגיות חדשות בתחומי הרפואה, התקשורת והאלקטרוניקה הלבישה.