Preface First

This is a debugging block

Preface Second

This is a debugging block

Preface Third

This is a debugging block

תוכן

This is a debugging block

מחקרים

RESEARCH

מה מעניין אותך?

כל הנושאים
אמנויות
מוח
הנדסה וטכנולוגיה
חברה
מדעים מדויקים
ניהול ומשפט
סביבה
רוח
רפואה ומדעי החיים

לובי מחקרים

עומר גבירצמן וחבורת הרובוטים החברתיים (צילום: נועם תור)

מחקר

01.09.2020
רובוט, למד אותי לשון

הרובוטים החברתיים שהזניקו את הישגי התלמידים הצעירים בשפה בעשרות אחוזים

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רוח

'הילדים של היום הם לא הילדים של פעם', יגידו לכם כל ההורים בני כל הגילאים. זה כבר לא סוד ששיטות לימוד רבות שהיו נהוגות עד לא מזמן נחשבות מיושנות, ושילדי שנות ה-2000 זקוקים לגירויים ולשיטות לימוד חדשות ומרעננות, שימשכו ויעניינו אותם. מחקר ייחודי שנערך במעבדה לסקרנות של הפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן הראה שלמידה חווייתית באמצעות רובוטים חברתיים עשויה לשפר משמעותית את הישגי התלמידים. הרובוט פטריק, שפותח במעבדה, לימד ילדים בני 9-5 לפענח שורשים של מילים והוביל לזינוק חד בידע שהפגינו.

 

ללמוד תוך כדי קפיצה

את המחקר ערכו ד"ר גורן גורדון מהמעבדה לסקרנות מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן וד"ר עינת גונן מהחוג ללשון העברית ולבלשנות שמית מהפקולטה למדעי הרוח ע"ש לסטר וסאלי אנטין, ומי שכיכב בו לצד התלמידים הצעירים הוא הרובוט פטריק, שתוכנן על ידי הדוקטורנט עומר גבירצמן והודפס בהדפסת תלת ממד במעבדת הסקרנות. המחקר צפוי להתפרסם בקרוב בכתב העת International Journal of Social Robotics.

 

בשלב הראשון נבדק הידע המקדמי של הילדים. המחקר שבחן מודעות מורפולוגית, כלל כ-50 ילדים בגילאי 9-5 שלמדו לזהות שורשי פעלים ושמות עצם. לאחר אימון קצר בחילוץ שורשי מילים, נבדק הידע המקדמי של הילדים המבוסס על מה שלמדו במערכת החינוך, ונמצא שאף הילדים הגדולים בקבוצה הפגינו יכולת מועטה בזיהוי פעיל של שורשים. הילדים ענו נכון רק על 1.9 תשובות נכונות בממוצע, מתוך 10 השאלות שהוצגו בפניהם.

 

בשלב הבא, הוא שלב הניסוי, שנמשך שלושה שבועות, השתתפו הילדים בשלושה עד חמישה שיעורים בני 15-7 דקות בהנחיית הרובוט, במהלכם הוא לימד אותם לזהות שורשים של פעלים ושמות, כגון התגלגלנו, התנהג, מחשב, מזרקה, מנעול, תלבושת ואפילו של פעלים משורשים שאינם קיימים (כגון זילתנו והתרלש).

 

באמצעות סדרה של שאלות ותשובות והצגה של מילים ושורשיהן בנעימה ריתמית קבועה, פיתחו הילדים את המיומנות לחלץ את שורשי המילים. אולם בניגוד לשיעורים בבית הספר, שבהם הילדים יושבים במקומותיהם לאורך השיעור, הרובוט פטריק גם הפעיל את הילדים בפעילויות שונות, וביקש תוך כדי פעילות לזהות את השורשים הרלוונטיים. כך למשל ביקש הרובוט מהילדים לקפוץ בחדר ולצעוק את השורש של הפועל "לקפוץ", לחייך ולומר את השורש של הפועל "לחייך". לאחר מכן אמר הרובוט בעצמו את התשובה הנכונה ושיבח את הילדים על השתתפותם.

 

תכירו את המורה החדש לשפה. הרובוט פטריק מתכונן לשיעור

 

לפעמים הגיל הוא התרגיל

בתום סדרת השיעורים נבדק הידע שרכשו הילדים. מסתבר שהישגי התלמידים זינקו מ-20% הצלחה ל-70% הצלחה: עלייה מ-1.9 תשובות נכונות מתוך 10 שאלות (לפני הניסוי) ל-7.07 בממוצע (לאחר הניסוי). תוצאה מעניינת במיוחד נרשמה בניתוח ההתאמה שבין הגיל להישגים: כצפוי, בקרב הילדים הגדולים נרשם שיפור משמעותי בהישגים. אולם הפתעה נרשמה בקרב הילדים הצעירים: בעוד שילדים בגילאי הגן הגיעו לניסוי עם ידע מועט בהשוואה לילדים הגדולים יותר, במהלך הלמידה הם השתפרו יותר והגיעו להישגים דומים לאלו של הגדולים יותר במבדק המסכם.

 

ד"ר גורן גורדון מסביר כי במעבדת הסקרנות שלו שוקדים על פיתוח רובוטים חברתיים למטרות חינוך והוראה, כך שאפשר יהיה ללמד תכנים לימודיים באופן חווייתי ומהנה ובעלות נמוכה. אחד הרובוטים, פטריק (Patricc), שפותח במעבדה ואף הודפס בה, הותאם לשיטת הלימוד שפיתחה ד"ר גונן, שמתבססת על הקניית מודעות מורפולוגית אקטיבית לזיהוי שורשים בגיל הילדות.

 

"על רקע משבר הקורונה, שבו נדרשת מערכת החינוך לפתרונות יצירתיים, אין כל ספק שלימוד באמצעות רובוטים יכול לסייע להתארגנות במוסדות החינוך מתוך הקפדה על הנחיות משרד הבריאות, בקבוצות קטנות, בצורה חווייתית ובלימוד תכנים חדשניים", אומרת ד"ר גונן. "הרובוטים מנגישים חומרים מתוחכמים גם לילדים צעירים מאוד ובאופן משחקי ומהנה, ששומר על הקשר עם קבוצת העמיתים. בתחום הוראת השפה הרובוטים מאפשרים הבנה עמוקה יותר של החומר, שכן בניגוד להוראה המקובלת בבית הספר, הנשענת על חילוץ שורשים מתמונת המילה הכתובה על ידי מחיקת אותיות מיותרות, הוראת הרובוטים כולה נעשית בעל פה".

 

"רובוטים חברתיים יכולים להיות עוזרי הוראה בכל מערכת החינוך, גם בקרב הגילאים הצעירים וגם בקרב תלמידי תיכון", אומרים ד"ר גורדון וד"ר גונן ומסכמים: "הרובוטים יכולים ללמד בצורה אפקטיבית תוכן בהקשרים שונים, בהוראה פרטנית, בקבוצות או למול כיתה שלמה. בתחום השפה, ניתן בעזרת הרובוטים החברתיים לקרב את הילדים לשפה, לייצר חוויית הצלחה ולנצל את חלון ההזדמנויות בעודם צעירים להציב רף גבוה, כך שתיווצר תשתית קוגניטיבית להעמקה בגיל בוגר. המורים הם, כמובן, הבסיס לכל הוראה בכיתה, אך הרובוטים עשויים להעשיר מאוד את חוויית ההוראה וללמד אף תכנים שברגיל אינם נלמדים".

מחקר

03.08.2020
כיפת הברזל של מגפות ויראליות וירטואליות

ד"ר דן ימין יודע לאתר כל סוג של התפרצות מידבקת – גם מחלות ויראליות וגם שיח פוגעני ברשתות חברתיות

  • הנדסה וטכנולוגיה

ד"ר דן ימין מאוניברסיטת תל אביב פיתח מערכת למעקב אחר נתונים שניתן ליישמה על מחלות מידבקות כמו נגיף הקורונה, וגם על שיח פוגעני ברשתות החברתיות, בעזרת מעקב אחר הגורם המשותף בשני המקרים – התנהגות אנושית.

 

ד"ר ימין, ראש המעבדה למידול ולניתוח מגפות בפקולטה להנדסה ע"ש פליישמן, אומר שגישתו מבוססת על הגורם החסר באפידמיולוגיה המסורתית – נתונים על הגורם האנושי. "במרכזו של כל תהליך הדבקה ניתן למצוא דפוסי מגע והתערבבות," מסביר ד"ר ימין. "דפוסים אלה מייצגים את האינטראקציות החברתיות של פרטים בחברה." הוא מוסיף כי בכל הנוגע להתפשטות מחלות, "מי שאינו מביא גורמים אלה בחשבון מחטיא לחלוטין את לב העניין."

 

ד"ר ימין שיתף פעולה עם פרופ' עירד בן גל, ראש המעבדה לבינה מלאכותית, למידה חישובית וניתוח נתונים (LAMBDA) באוניברסיטת תל אביב. השניים פיתחו כלי לחיזוי דינמיקת הדבקה המתבסס על מעקב אחר תנועת אנשים ממקום למקום באמצעות טלפונים ניידים. כשפרצה מגפת הקורונה בישראל ייעץ ד"ר ימין למשרד הבריאות וחזה התפרצויות מקומיות באמצעות שיטה זו.

 

"הכלי שפיתחנו מסייע באיתור מקומי של הנגיף, וגם מייצר סימולציות של התפשטות הנגיף – שצופות מה יקרה אם מדיניות זו או אחרת תיושם בשטח," הוא אומר. כך לדוגמה המליצה קבוצתו של ד"ר ימין למשרד הבריאות לפתוח מחדש את מעונות היום, על סמך הנתונים שנאספו.

 

בנוסף מצא ד"ר ימין כי סגר ממוקד המוטל על קבוצות אוכלוסייה בסיכון גבוה ועל מקבצי הדבקה מקומיים הינו יעיל עד פי 5 בצמצום התמותה בהשוואה לאסטרטגיה של סגר כלל-ארצי. ממצא זה עזר לממשלת ישראל לאמץ את הגישה הנוכחית של סגרים ממוקדים.

 

מאז חלפו מספר חודשים, וכיום מפתחים ד"ר ימין וקבוצתו כלי לאיתור מוקדם של חולי קורונה על סמך חיישנים בטלפון הנייד, המודדים מספר צעדים, הרגלי שינה ופרמטרים נוספים.

 

חושבים ויראלי, מצייצים ויראלי

את הפוסט-דוקטורט שלו השלים ד"ר ימין באוניברסיטת ייל בארה"ב. בעת שהותו שם, הטריד אותו השיח האנטי-ישראלי שראה ברשתות החברתיות. הוא קישר בין הידע שלו על מחלות לבין האופן שבו פוסטים וציוצים הופכים "ויראליים" גם ברשתות חברתיות.

 

על סמך דפוסי ההדבקה של מחלות שחקר במסגרת עבודתו המדעית, החל ד"ר ימין לבנות מערכת הנעזרת בבינה מלאכותית,על מנת לזהות כיצד קבוצות מסוימות משתמשות בטקטיקות שיווק ויראליות כדי להפיץ מסרים אנטישמיים ואנטי-ישראליים.

 

המערכת, המכונה 'כיפת ברזל של הרשתות החברתיות', נועדה לזהות ולעקוב אחר תכנים בעלי פוטנציאל להפוך לוויראליים במונחי הרשתות החברתיות. ד"ר ימין מסביר שאנשים המעבירים ציוצים הלאה ללא מחשבה יתרה דומים מאוד לנשאים אסימפטומטיים של מחלה מידבקת. רבים ממשתמשי טוויטר מעבירים שלא בכוונה מידע בעל מסרים אנטישמיים גלויים או סמויים.

 

הבחירה מתי להגיב ברשתות החברתיות היא עניין רגיש. לפיכך מציע ד"ר ימין להשתמש בבינה מלאכותית, כמו זו שבמערכת 'כיפת הברזל' שפיתח, כדי לסייע בתהליך קבלת ההחלטות. "לא תמיד כתיבה פעילה בעד ישראל ברשתות החברתית היא הגישה הטובה ביותר," הוא אומר. "מרבית הציוצים האנטי-ישראליים אינם ויראליים, אז למה לבזבז זמן על ציוצים שממילא לא יגיעו לשום מקום?"

 

הדור הבא של בקרת מחלות

כיום, כשמדינת ישראל והעולם כולו מתמודדים עם הגל השני של הקורונה, קובע ד"ר ימין כי "בינתיים עלינו לחיות עם הנגיף הזה. אם ננהג באחריות ונשמור על שגרת החיים של הרוב הגדול של האוכלוסייה, לא נגיע לקטסטרופה."

 

במבט קדימה, ד"ר ימין מאמין כי שיטות מבוססות-נתונים כמו זו שפיתח הינן קריטיות לניהול מחלות נגיפיות. לפיכך, הוא יכהן כחבר מרכזי במרכז הרב-תחומי למלחמה במגפות של אוניברסיטת תל אביב – המרכז הראשון מסוגו בעולם. "מערכות נתונים כמו זו שפיתחנו יכולות לשפר במידה ניכרת את הדיוק של אבחונים רפואיים בעתיד," הוא אומר.

גארי רוזנמן והבריכה הקוונטית

מחקר

27.07.2020
עושים גלים

חוקרים הצליחו למדוד תופעה קוונטית שנחזתה בשנת 1927, ופתרו תעלומה מדעית

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

לראשונה בעולם, צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו ליצור תנאי מעבדה מיוחדים, שאיפשרו להם למדוד בצורה מדעית תופעה קוונטית שנחזתה לפני כמאה שנה, אך מעולם לא נחקרה. במאמץ משותף של בית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, בית הספר להנדסה מכנית ובית הספר להנדסת חשמל, בשיתוף פעולה עם חוקרים מהמכון לפיזיקה קוונטית באולם שבגרמניה, בנו החוקרים בריכת גלים מיוחדת באורך חמישה מטרים, שמדמה התפשטות גלים קוונטיים. באמצעות הבריכה, צוות החוקרים בהובלת הדוקטורנט גרי גאורגי רוזנמן, פרופ' עדי אריה, פרופ' לב שמר, מטיאס צימרמן, מקסים אפראמוב ופרופ' וולפגנג שלייך, צפו לראשונה בתופעה קוונטית בשם פאזת קנארד, שנחשבת לנדבך מרכזי בתורת הקוונטים, שנחזה בשנת 1927 אבל מעולם לא נמדד במעבדה. התגלית פורצת הדרך הובילה לפרסום שני מאמרים מדעיים ב-Physical Review Letters וב-Physical Review E - Rapid Communications.

 

גלי כבידה בבריכה

מכניקת הקוונטים היא שמה של תיאוריה מדעית, המתארת את עולם החלקיקים ברמה התת-אטומית. אחת מאבני היסוד בתורת הקוונטים היא התיאור הכפול של גופים פיזיקליים, הן כחלקיקים והן כגלים. בדומה לגלים בים, גלים קוונטיים מתארים תנודות מחזוריות במרחב ובזמן, ומתאפיינים בפאזה, או מופע. הפאזה של הגל קובעת האם בנקודה מסוימת במרחב ובזמן יהיה הגל בשיא המשרעת שלו, בשפל המשרעת או בכל מצב ביניים אחר. בשנת 1927 חזה הפיזיקאי התיאורטי ארל הסה קנארד כי חלקיק קוונטי שמופעל עליו כוח קבוע, כמו כוח כבידה על גוף בעל מסה, או שדה חשמלי קבוע על חלקיק טעון חשמלית, יצבור פאזה הקרויה כיום על שמו - פאזת קנארד.

 

"המטרה של המחקר שלנו היא לייצר פלטפורמה שמקיימת אנלוגיה מתמטית שלמה עם משוואת שרדינגר, המשוואה העיקרית של מכניקת הקוונטים, אבל בהתקן ענק שניתן לראותו בעין", מסביר רוזנמן. "הבריכה שלנו מייצרת גלי כבידה משטחיים, שמתנהגים באופן דומה לגלי חומר זעירים בעולם הקוונטי, וכך מאפשרת לנו למדוד תופעות קוונטיות במערכת מקרוסקופית. מבחינה תיאורטית יש תופעות במכניקת הקוונטים שקשה מאוד למדוד, ואנחנו מצאנו דרך לעקוף את המגבלה הזאת".

 

"תחילה זיהינו את השקילות בין מערכת קוונטית שמקיימת את משוואת שרדינגר לבין מערכת הידרודינמית של גלים שמתקדמים על פני מים", אומר רוזנמן וממשיך "בשלב השני, לקחנו את הקשר הזה שלב אחד קדימה ובנינו מערכת שמקיימת את משוואת שרדינגר וגם מפעילה כוח קבוע על הגל. על ידי שינוי הכוחות, אנחנו יכולים לראות במו עינינו כיצד חלקיקים צוברים את הפאזות שנחזו על ידי קנארד באופן תיאורטי. לפאזת קנארד עשויים להיות גם שימושים מעשיים, למשל במדידה רגישה של כוחות או בהבנה כיצד מערכות מאיצות תת-אטומיות פועלות. בימים אלה אנחנו משתמשים בבריכת הגלים כדי לצפות לראשונה באפקטים פיזיקליים אחרים, כמו צבירת הפאזה של גלים הנעים בסמוך לחורים שחורים".

מחקר

05.02.2020
כשהפגם הופך ליתרון: חוקרים יצרו שיטה לשיבוש מבנה של חומרים לפי דרישה

הטכנולוגיה החדשה עשויה לסייע בין היתר בהגנה על אזורים רגישים במצבים של פגיעה מכנית – כמו למשל רכב המעורב בתאונה

  • הנדסה וטכנולוגיה

 

"כולנו מבינים באופן אינטואיטיבי את ההבדל בין גיליון נייר שטוח לבין אותו גיליון, כשאנו מקמטים אותו והופכים אותו לכדור", מסביר פרופ' שוקף מבית הספר להנדסה מכנית. "הדף הוא שטוח וגמיש, ואילו הכדור מקומט וקשיח. במילים אחרות, הכדור הוא מטא-חומר מכני – חומר שתכונותיו המכניות השתנו בעקבות שינוי צורה." אז למה שלא "נקמט" את החומר באופן שיהפוך אותו לגמיש ועמיד בפני פגיעות?

 

חוקרים בהובלת פרופ' יאיר שוקף פיתחו שיטה חדשה לתכנון מטא-חומרים מכניים ולשליטה בתכונותיהם – באמצעות השתלה יזומה של פגמים מבניים בחומר. השיטה עשויה לשמש מהנדסים ומתכננים מתחומים רבים – מתעופה ורכב ועד לאריזות חכמות. המחקר בוצע בשיתוף עם חוקרים במכון AMOLF באמסטרדם ובאוניברסיטת ליידן בהולנד, והתפרסם בכתב העת .Nature Physics

 

הפגמים שעושים את ההבדל

"חיפשנו שיטה שתאפשר לנו לשנות את הצורה והמבנה הפנימי של חומר באופן מבוקר, כדי ליצור מטא-חומר עם תכונות מכניות רצויות. לשם כך שתלנו פגמים במערך של אבני הבניין המרכיבות את המטא-חומר שיצרנו." מסביר פרופ' שוקף.

 

לשבש את שלמות הפאזל

בשלב הראשון תכננו החוקרים מודל של חומר נטול פגמים: מבנה שטוח העשוי מאבני בניין משולשות היוצרות שקעים ובליטות, שמתחברות זו לזו כמו פאזל – בליטה בתוך שקע.

 

בשלב השני הם יצרו במודל פגם מבני: הם סובבו שורה של אבני בניין, כך שהן לא יתחברו עוד באופן הרמוני לחלקים בשורות הסמוכות. "פגם כזה מכונה פגם גלובלי או פגם טופולוגי", אומר פרופ' שוקף.

 

המודל 'הפגום' הוזן למדפסת תלת-מימד, שהדפיסה אותו בחומר ממשי. לדברי פרופ' שוקף, "תוצר ההדפסה היה מטא-חומר מכני חדשני – הראשון שנוצר אי-פעם שיש לו התנהגות א-סימטרית." בניגוד לחומר המושלם, נטול הפגמים, שהוא רך מכל צדדיו, המטא-חומר הפגום הוא רך בצדו האחד וקשיח בצד השני. יותר מכך, כשמחליפים צדדים, לוחצים על צדו האחד ומושכים בצד השני, המצב מתהפך: חלקים קשיחים הופכים לרכים, ולהפך.

 

שינוי במבנה החומר על פי דרישה

"במחקר שלנו פיתחנו פלטפורמה חדשנית לתכנון מטא-חומרים מכניים, שעשויים להתאים למגוון רחב של תחומים ושימושים", מסכם פרופ' שוקף. "הפלטפורמה מתבססת על שתילת פגמים יזומים במערך הפנימי של אבני הבניין, והיא מאפשרת ליצור באופן מבוקר מטא-חומר בעל תכונות מכניות חדשות, על פי דרישה. כך לדוגמה ניתן לתכנן מעטפת למערכות טכנולוגיות שתנתב כל מכה מכנית לאזורים עמידים, ותמנע פגיעה ברכיבים אלקטרוניים עדינים; ריפוד חכם לכוסות שבירות; רכב שבמקרה של תאונה מנתב את כוחות המעיכה הרחק מהנוסעים; ואף 'מלקחיים' ננומטריים שמעבירים כוח מכני מצדם האחד לצדם האחר כדי ללכוד חלקיקים זעירים."

 

מחקר

27.01.2020
"איברים על שבב" – העתיד החדש של פיתוח התרופות

מערכת חדשנית המחברת בין מספר איברים-על-שבב סוללת את הדרך למהפכה בפיתוח תרופות

  • מוח
  • הנדסה וטכנולוגיה

חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליחו לפתח מערכת חדשנית המחברת בין מספר איברים-על-שבב, ומדמה את פעולתן של מערכות שלמות בגוף האדם. השיטה החדשנית עשויה לחולל מהפכה של ממש בתהליך של פיתוח תרופות, שאורך כיום שנים ארוכות ועולה כסף רב, ולמרות זאת יעילותו חלקית ביותר. יתרון אפשרי נוסף של הטכנולוגיה החדשה הוא מניעת הבעיות האתיות הכרוכות בניסויים בבעלי חיים.

 

המחקרים בוצעו בשיתוף עם אוניברסיטת הרווארד, ובהשתתפות 57 חוקרים ממוסדות מחקר ומחברות לפיתוח תרופות בעולם. שני המאמרים פורסמו בכתב העת Nature Biomedical Engineering בינואר 2020.

 

"פיתוח תרופות כרוך היום בתהליך שאורך 20-10 שנה, ועולה כ-2-1 מיליארד דולר לתרופה," מסביר ד"ר בן מעוז מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב, שנמנה על מובילי הפרויקט הבינלאומי. "מתוכו, כ-6-3 שנים מוקדשות לניסויים בתרביות ובבעלי חיים, ועוד כ-8-6 שנים מוקדשות לניסויים קליניים בבני אדם. ולאחר כל המאמץ וההשקעה, מסתבר שהתהליך אינו יעיל: כ-90-60% מהתרופות שמיטיבות עם בעלי חיים נכשלות בבני אדם. מצב זה גורם לחוקרים בכל העולם לחפש הליכים חלופיים לפיתוח תרופות. אחת הטכנולוגיות בעלות הפוטנציאל הגדול ביותר בתחום היא OOC (Organ-on-a-Chip), או בעברית 'איבר-על-שבב." במסגרת השיטה, שפותחה לראשונה ב-2010 באוניברסיטת הרווארד, משתמשים המדענים בתאים מאיבר אנושי מסוים – לב, מוח, כליה, ריאות וכדומה, ובעזרת טכניקות של הנדסת רקמות מניחים אותם במחסנית מפלסטיק – הלא היא השבב.

 

הכי קרוב שיש לאיבר האנושי

בשנים האחרונות פותח בעולם מגוון רחב של 'איברים-על-שבב' המתפקדים כמו האיבר האנושי עצמו.  ד"ר מעוז פיתח לפני כשנתיים איבר-על-שבב המחקה את פעולתו של מחסום הדם-מוח, ובמקומות אחרים פותחו שבבים של לב, כליות, מעיים ועוד. בפרויקט הנוכחי פותחה לראשונה מערכת שמסוגלת לחבר בין השבבים השונים, ומאפשרת לדמות את פעולתן של מערכות שלמות בגוף האדם, ואת תגובתן לתרופות ניסיוניות המוזנות למערכת.

 

המערכת פותחה ונבחנה בשני מחקרים: במחקר הראשון פיתחו החוקרים מערכת רובוטית אוטומטית שיכולה לחבר באופן פשוט ומודולרי בין שבבים של עד 10 איברים שונים, ומאפשרת שליטה בכל חומר שנכנס לכל שבב ויוצא ממנו. בנוסף הם יצרו עבור הרקמות שעל השבבים סביבה ביולוגית מתאימה ותומכת, מעין 'דם מלאכותי', שמאפשר להן לתפקד ולתקשר ביניהן לאורך זמן. החוקרים הציבו במערכת 9 איברים-על-שבב – מוח, מחסום הדם-מוח, ריאות, לב, מח עצם, כליה, מעי, כבד ועור, ונוכחו כי היא פועלת בהצלחה במשך שלושה שבועות לפחות.

 

במחקר השני הוסיפו החוקרים תרופות שונות למערכת האוטומטית, ובדקו כיצד מגיבים האיברים השונים. ראשית הוחדר למערכת ניקוטין, חומר שבדרך כלל נלקח דרך הפה כדי לסייע בגמילה מעישון, ונבחן כיום גם כתרופה למחלות ניווניות ולדלקות כרוניות של המעי.  "עבור תרופות הנלקחות דרך הפה יש חשיבות גדולה לתהליך הקליטה של התרופה בגוף - דרך המעי שסופג אותה, הכבד שמפרק אותה ולבסוף הכליה שמסננת את החומר," אומר ד"ר מעוז. "לכן, עבור הניקוטין, היצבנו בפלטפורמה שלנו שבבים של שלושת האיברים הללו." התרופה השנייה שנבדקה הייתה ציספלטין, מרכיב נפוץ בטיפולים כימותרפיים לסרטן הניתנים דרך הווריד. עבורה הוצבו במערכת שבבים של כבד וכליה, וכן שבב של מח עצם, המושפע מאוד מהתרופה.

 

תוצאות מקבילות למדדים האנושיים

האתגר הבא היה להתאים את התוצאות שנמדדו בפלטפורמה החדשנית לגוף האדם כמערכת כוללת, ולגשר על הפערים ביניהם. לשם כך פיתחו החוקרים מודלים חישוביים שמתרגמים את הערכים שהתקבלו במערכת לתוצאות מקבילות של בדיקות קליניות בבני אדם. ואכן, השילוב בין המערכת האוטומטית של איברים-על-שבב למודלים החישוביים הניב ערכים קרובים מאוד לאלה שנמדדו אצל מטופלים אנושיים בקליניקה.

 

"לראשונה בעולם הצלחנו לפתח פלטפורמת איבר-על-שבב מהימנה וגמישה, שנותנת תוצאות קרובות מאוד לאלה המתקבלות אצל מטופלים אנושיים," מסכם ד"ר מעוז. "כבר היום, לאחר שרשות התרופות האמריקאית (FDA) הודיעה כי היא תומכת בפיתוח איברים-על-שבב שישמשו ככלי תומך לפיתוח תרופות, יכולות חברות ומעבדות העוסקות בתחום להיעזר במערכת שלנו. כמו כן אנו מאמינים ומקווים שבעתיד, לאחר פיתוח נוסף, תוכל הפלטפורמה החדשה לשמש כחלופה לניסויים בבעלי חיים ואף לחלק ניכר מהניסויים הקליניים בבני אדם. כך היא תחסוך שנים של מחקר, כסף רב וגם סבל של בני אדם ובעלי חיים כאחד."

מימין לשמאל: פרופ' טל אלנבוגן, מאי טל ושי קרן-צור

מחקר

19.01.2020
לרכב על הגל

חוקרים פיתחו גלי טרה-הרץ, שיזהו תרופות מזויפות ויאפשרו לבצע בדיקות דימות רפואיות בקרינה לא מייננת

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים

כמה פעמים חשבתם פעמיים אם לבצע בדיקה רפואית כלשהי, מחשש לנזק שהיא עלולה לגרום לכם בעקבות החשיפה לקרינה? האם שמעתם על תרופות שנמכרו במחיר זול מהרגיל, אך הסתבר שהן אינן מקוריות? קבוצת חוקרים מהמעבדה לננו אלקטרואופטיקה במחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית בבית הספר להנדסת חשמל באוניברסיטת תל אביב, בראשותו של פרופ' טל אלנבוגן, הצליחה לפתח שיטה חדשה שתזהה את אותן תרופות באמצעות גלי טרה-הרץ, ואף תאפשר את פיתוחם המואץ של מגוון יישומים חדשים וחיוניים בתחומי הרפואה, הטכנולוגיה, הביטחון ועוד.

 

אפילו קיר לא עוצר אותם

גלי טרה-הרץ הם גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל קצרים מגלי מיקרו וארוכים מגלים בתחום האינפרה-אדום. לדברי פרופ' אלנבוגן, אחד היתרונות שלהם הוא האינטראקציה הייחודית שלהם עם חומרים. למשל, ניתן להשתמש בגלי טרה-הרץ כדי לזהות באופן מדויק חומרים שונים. בנוסף, גלים אלו יכולים לעבור דרך עצמים שנראים אטומים באורכי גל אחרים, כך שניתן להשתמש בהם על מנת לגלות עצמים נסתרים ואפילו את הרכבם.

 

זו הסיבה ששימוש נרחב בהם יכול לעשות מהפכה בגילוי תרופות המופצות בשוק תחת שמות מסחריים, אך לא יוצרו על ידי יצרן מקורי או כזה שלא מאושר על ידי משרד הבריאות, בזיהוי הרכב חומרים מרחוק ואפילו בהורדת סיכון החשיפה שלנו לגלי קרינה מייננים, כפי שקורה למשל בצילומי רנטגן ובדיקות דימות אחרות כמו CT או בטיפולי הקרנה לחולי סרטן, שלמרות התועלת שבהם, חשיפת יתר עלולה להזיק לבריאותנו.

 

התכונות של גלי טרה-הרץ מוכרות למדע זה זמן רב, אך עד כה היכולים לשלוט בגלים אלו היתה מוגבלת מאוד יחסית לתחומי קרינה אחרים. במעבדתו של פרופ' אלנבוגן, עם הסטודנטים שי קרן-צור ומאי טל , בשיתוף עם פרופ' דניאל מיטלמן מאוניברסיטת בראון בארה"ב וד"ר שר-לי פליישר, חוקר בביה"ס לכימיה באוניברסיטת תל אביב, הצליחו לפתח שיטה חדשה של ייצור ושליטה בגלי טרה-הרץ (Terahertz) תוך שימוש במשטחים מהונדסים בסקאלה ננומטרית, הנקראים מטא-משטחים, אשר יוצרו במרכז הננו של אוניברסיטת תל אביב, בשיטות ננו-טכנולוגיות מתקדמות.

 

תוצאות המחקר התפרסמו לאחרונה בכתבי העת NATURE Communications  ו-Nano Letters ויוצגו בתחילת פברואר 2020 בכנס הבינלאומי לאופטיקה Photonics West  שיערך בסן פרנסיסקו.

 

איך עושים גלים?

במסגרת התהליך יצרו החוקרים משטחים מרוצפים באנטנות ננו-מטריות מזהב (ננומטר שווה ערך למיליארדרית המטר), הקולטות ביעילות אור מלייזרים בעלי פעימות קצרות מאוד, ובתהליך של המרת אנרגיה הן משדרות במקומן פעימות של קרינת טרה-הרץ. על ידי שליטה באנטנות על גבי המטא-משטח הראו החוקרים שניתן לעצב את צורתה המרחבית והזמנית של פעימת הטרה-הרץ, שנוצרה בצורה שלא ניתנת להשגה באמצעים הקיימים עד כה.

 

פרופ' אלנבוגן: "ההדגמה שעשינו במעבדה פורצת דרך, מכיוון שהשימוש בחומרים ננו-מטריים והיכולת לייצר מהם אור בצורה נשלטת, מוסיפים כלים טכנולוגיים חשובים ויכולות חדשות ולוקחים את המחקר בתחום צעד גדול קדימה״.

 

לדבריו, ״היכולת לשלוט באופן מושלם בצורה המרחבית ובמאפיינים נוספים של גלי הטרה-הרץ, כפי שהודגם במחקר, מאפשרת את יישומן ופיתוחן של שיטות דימות מתקדמות, מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה חדשות. כך לדוגמה, ניתן יהיה לזהות מרחוק וללא שימוש בבדיקות מעבדה כימיות הרכב חומרים שונים ואת המבנה המרחבי שלהם בצורה טובה יותר, למשל זיהוי תרופות מזויפות בקלות וכן זיהוי של חומרי נפץ".

 

בשל חשיבותו הרבה זכה המחקר למימון של סוכנות ה-ERC (European Research Council) היוקרתית למענקים מחקריים של האיחוד האירופי ושל משרד המדע והטכנולוגיה.

 

מחקר

01.01.2020
מחשבים מסלול מחדש

מחקרים שהתחילו עם כיוון מסוים והגיעו למקומות אחרים לגמרי

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • מדעים מדויקים
  • רוח
  • רפואה ומדעי החיים

תמיד אומרים לנו שהדרך חשובה לא פחות מהמטרה. זה נכון לגבי תחומים רבים בחיים, ובמיוחד למי שעוסק במחקר. גמישות, סקרנות ותשומת לב לפרטים הקטנים יכולות להוביל לחשיפת אוצרות, שבכלל לא יצאנו לחפש. החוקרות והחוקרים שלנו מספרים על מחקרים שקיבלו תפנית, בזכות הפתעות משמחות בשטח ובמעבדות.

 

תסתכלו בקנקן

משלחת חפירה ארכיאולוגית גילתה שלפעמים, ממש כמו בפתגם הידוע, כדאי להסתכל בקנקן. "באחת ממשלחות החפירות במגידו הורדנו את המחיצות המפרידות בין ריבועי החפירה, ומצאנו כלי חרס שלם מלא בעפר", מספרת נעמה ולצר, דוקטורנטית בחוג לארכיאולוגיה ותרבויות המזרח הקדום באוניברסיטת תל אביב.

 

"ארזנו אותו והתכוונו לשלוח אותו למעבדה לבדיקת שיירים מולקולאריים, כדי לגלות מה שמרו בתוך כלי חרס זה, שתוארך לסביבות 1100 לפנה"ס". הכלי נשאר במשרד ולאחר זמן מה התברר שהשימור באזור זה של החפירה לא מספיק טוב. לכן החליט הצוות לרוקן אותו מן העפר, באופן מבוקר כמובן, ושפך את תכולתו על השולחן. "את מה שחיכה לנו שם לא ציפינו למצוא: אוצר תכשיטים יקרי ערך, שנחשב לאחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל!".

 

חשוב להסתכל בקנקן. כד החרס שנתגלה בחפירות מגידו. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

בין היתר, נמצאו במטמון תשעה עגילים גדולים וטבעת חותם עם חריטה של דג עשויים זהב, למעלה מאלף חרוזי זהב קטנים, מחרוזות ותכשיטים עשויים כסף. "כך מצאנו את המטמון הגדול של שטח H, שמוצג היום בתצוגה הקבועה של מוזיאון ישראל בירושלים", מסכמת ולצר.

 

אם גם אתם בעניין חפירות ואוצרות, תשמחו לדעת שהרישום לעונת החפירות במגידו בקיץ 2020 בעצומה.

 

עגילים, טבעות וחרוזי זהב. אחד המטמונים העשירים ביותר מתקופת המקרא שנמצאו בישראל. צילום באדיבות המכון לארכיאולוגיה ע״ש סוניה ומרקו נדלר

 

התיעוד הכי ארוך במקום הכי נמוך

מים שקטים חודרים עמוק, עמוק מאוד, ואפילו יכולים לחולל רעידת אדמה של ממש: "חיפשתי מקומות שבהם אפשר לדגום סלע, ששקע בסביבה שקטה על קרקעית אגם ים המלח", נזכר פרופ' שמוליק מרקו, ראש בית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר.

 

"המטרה הייתה למדוד את התכונות המגנטיות של הסלע, על מנת לשחזר את השינויים שחלו בשדה המגנטי של כדור הארץ בעבר. המידע הזה חיוני להבנת ההתנהגות של השדה, שמהווה אחת התעלומות החשובות בגאולוגיה. לחוקרים אין עדיין הסבר מניח את הדעת למנגנון שגורם לשינויים שחלים בשדה המגנטי, כגון היפוכים מפתיעים או שינויים מתמידים במיקום הקטבים המגנטיים. תוך כדי דגימה בסלעים, שנראו מסודרים כאילו ששום דבר לא הפר את שלוותם מעולם, מצאתי שכבות שנראו מבולגנות. המחקר תפס תפנית לא צפויה, ואחרי שמצאתי הוכחות לכך שאת ה״בלגן״ חוללו רעידות אדמה - זה הפך לנושא העיקרי של המחקר".

 

במקום הכי נמוך. שכבות סלע בים המלח

 

בגלל שסיסמוגרפים מודרניים קיימים רק כמאה שנה, זה זמן קצר מדי בכדי לתעד מספיק רעידות אדמה חזקות באזור מסוים, ולכן אי אפשר לדעת איך האזור מתנהג בפרקי זמן ארוכים. אצלנו בישראל למשל, יש תיעוד החל מתקופת התנ"ך (כ-3,000 שנה), וזה עדיין נחשב מעט. "אבל עכשיו יש לנו תיעוד של רעידות האדמה שקרו בסביבות ים המלח ב-220 אלף השנים האחרונות, שנחשב לשיא עולמי, היות ואין עוד תיעוד כל כך ארוך ורציף בשום מקום בעולם", מסכם פרופ' מרקו.

 

מסודרות ומבולגנות. שכבת סלע שהסדר המקורי בה הופר בין שכבות מסודרות

 

הארה ממקום לא צפוי

לקראת סיום לימודי פוסט-דוקטורט באוניברסיטת ייל, החליטה ד"ר אינס צוקר מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן להנחות סטודנט לתואר ראשון במחקר קצר ומבטיח, שההיפותזה שלו התבססה על תוצאות קודמות.

 

אבל כמו שכולנו יודעים, רק דבר אחד בטוח, וכל השאר נתון לשינויים: "מטרת המחקר הייתה להראות הבדל בפגיעה בליפוזומים (מעין כדוריות מיקרוסקופיות בנויות מחלל מוקף ממברנה וממולאות בנוזל פלוריסנטי, המשמשות כיום כלי חשוב הן במחקר אקדמי של ממברנות ביולוגיות והן ברפואה), על ידי ננוחומר בשם MnO2, המיוצר במבנים שונים", מסבירה ד"ר צוקר.

 

"בעבר, הראינו דליפה של חומר פלוריסנטי (כלומר, פגיעה בשלמות הליפוזום), כתלות בתכונות פני השטח של ננוחומרים, והפעם רצינו להראות זאת כתלות במבנה. אבל... למחקר חוקים משלו - לא הצלחנו לזהות שום פגיעה כזו. רגע לפני שהמחקר נגנז, לקחנו את המערכת למיקרוסקופ פלוריסנטי, שבו ראינו למרבה ההפתעה כי הליפוזומים והננוחומר עוברים אינטראקציה מסוג שאינו נצפה בעבר בהקשר זה: הליפוזומים עוטפים את הננוחומר, אבל נשארים ככדוריות שלמות ללא דליפה! זה אכן היה נס גדול ומאיר תרתי משמע".

 

"הרבה פעמים גילויים לא צפויים מפתיעים אותנו". ד"ר צוקר במעבדה

 

הלו ספייסבוי

עוד ערב שגרתי של סקירת חלל בטלסקופ רובוטי על ידי ד"ר יאיר הרכבי מהחוג לאסטרופיזיקה בפקולטה למדעים מדויקים ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר, הוביל לתצפית בתופעה שטרם נראתה כמותה: כוכב שחזר לחיים.

 

"לפני כמה שנים נתקלנו ב'כוכב שלא רצה למות', והמשיך להתפוצץ שוב ושוב", מספר הרכבי. "בכל לילה הטלסקופ היה מוצא המון דברים חדשים, רובם לא מעניינים. גם לגבי הסופרנובה הזו (שהיא כוכב שהתפוצץ) חשבנו בהתחלה שהיא לא מעניינת, כי כשהסקר תפס אותה לראשונה היא הייתה בשלב דעיכת האור וחשבנו שזהו, פספסנו את החלק המעניין. אבל אחרי כמה שבועות שמנו לב שהסופרנובה התחילה להתבהר מחדש, שזה משהו שלא אמור לקרות, ולכן התחלנו להתעניין ולעקוב אחרי הסופרנובה עם טלסקופים נוספים".

 

סופרנובה מתפוצצת במרחק שנות אור

 

"בדרך כלל, בפיצוץ של כוכב עוצמת האור עולה ויורדת ונעלמת אחרי כמה חודשים. במקרה הזה עוצמת האור עלתה וירדה, ואז עשתה זאת ושוב. סה״כ חמש פעמים במשך שנתיים. מה שהפתיע אותנו עוד יותר הוא שגילינו שהכוכב הזה בעצם התפוצץ כבר ב-1954, ואחרי שכוכב מתפוצץ הוא לא אמור להתפוצץ עוד פעם, כי הרי לא אמור להיות יותר כוכב אחרי הפיצוץ. עד היום אף אחד לא מצליח להסביר מה בדיוק קרה שם, ומאז לא ראינו אירוע דומה".

 

אי אפשר לדעת מה יילד לילה. ד"ר הרכבי ומצפה כוכבים בהוואי

 

לא לריב, יש מקום לכולן

קרה לכם פעם שחיפשתם פיתרון לבעיה, ועל הדרך מצאתם תשובה לשאלה נוספת, אחרת לחלוטין? זה בדיוק מה שקרה לפרופ' נועם שומרון מבית הספר לרפואה ע"ש סאקלר.

 

"רצינו לפתור זיהוי של מחלה אחת, ראינו נוספות בדרך ולכן שמנו אותן כמטרה נוספת למחקר", הוא מספר. "עקבנו אחרי אלפי נשים בהריון, כדי לאפיין מולקולות בדם היכולות להוות סמנים מוקדמים לרעלת היריון, שעשויה להופיע רק בקרב נשים הרות, החל מהשבוע ה-20 ואילך. לא רק שמצאנו אותן, אלא גם הצלחנו לאפיין בדרך מולקולות היכולות להעיד על סכרת היריון" (אין קשר בין שתי המחלות, מלבד העובדה שהן מתרחשות בהיריון).

 

"מה שמרגש בכל הסיפור הזה, הוא שכיום אין עדיין דרך לזהות בבדיקת דם פשוטה בשליש הראשון להיריון מחלות הפורצות רק בשליש השני או השלישי, אבל התגלית שלנו תאפשר לפתח בדיקות פשוטות מסוג זה עבור שתי המחלות, כדי לנקוט אמצעי מניעה כבר בשלבים מוקדמים ולהבטיח את שלום האם והעובר".

 

פרופ' שומרון מספר על התגלית המקרית באירוע "אתנחתא"

 

מחקר

10.09.2019
מה מוציא את האלמוגים מסינכרון?

חוקרים חשפו פגיעה במנגנוני הרבייה של אלמוגים במפרץ אילת, המסכנת את המשך קיומם

  • הנדסה וטכנולוגיה

מנגנון הרבייה של האלמוגים הוא אחד מפלאי הטבע. מכיוון שאלמוגים אינם יכולים להתחיל לטייל בים ולחפש בני או בנות זוג להזדווג עימם, הם פיתחו דרך ייחודית וכמעט פלאית להתרבות. פעם בשנה, בליל ירח מלא של קיץ, משחררת כל שונית אלמוגים בתזמון מושלם מליוני תאי זרע וביציות. השחרור הסימולטני למים מעלה את הסיכויים שזרע וביצית יפגשו זה את זה, וכך ייווצר אלמוג חדש.

 

"אירועי הרבייה של האלמוגים היו לשם דבר בקרב חוקרים וחובבי טבע ימי, ואף כונו 'האורגיה הגדולה ביותר בעולם'", מספר הדוקטורנט תום שלזינגר, "מדובר באירוע קצר, בן דקות אחדות בלבד, שמתרחש רק פעם בשנה: אלפי אלמוגים לאורך מאות קילומטרים של שוניות, משחררים לים בו-זמנית כמויות עצומות של ביציות ותאי זרע, שמפרים אלו את אלו".

 

האם האלמוגים בסכנת הכחדה?

עוד לפני שהצלחנו להבין כיצד בדיוק מתרחש האירוע המופלא הזה, מסתבר שגם הוא בסכנה. חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, בהובלת פרופ' יוסי לויה ותום שלזינגר מבית הספר לזואולוגיה, חשפו שיבוש של אירועי הרבייה של אלמוגים במפרץ אילת. הם מצאו כי חלק מהמינים כמעט ואינם מעמידים צאצאים.

 

החוקרים סבורים כי יתכן שהשיבוש נגרם על ידי שינויים בגורמים סביבתיים, כמו שינויי אקלים ו/או זיהומים שונים במים, ומביעים חשש כי לאורך זמן עלולה הפגיעה ברבייה להוות איום משמעותי על עצם קיומן של אוכלוסיות אלמוגים רבות ברחבי העולם. המחקר התפרסם בכתב העת היוקרתי Science, שאף הקדיש לו את כתבת השער.

 

אירוע מסונכרן של פעם בשנה

התזמון המושלם של התרבות האלמוגים תלוי בסינכרון בין מספר גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורת מי הים, עוצמת קרינת השמש, הרוח, מופע הירח ושעת שקיעת השמש, והשינויים העונתיים החלים בהם. מטרת המחקר היתה לבחון האם השינויים המהירים, המתרחשים כיום בסביבה הימית, משפיעים על הצלחת הרבייה, שבה תלוי עתידם של האלמוגים.

 

מראה מרהיב: מסיבת רביית אלמוגים שנתית. צילום: תום שלזינגר

 

225 לילות מתחת לפני הים

בחלקו הראשון של המחקר, ערכו החוקרים סקרי-שטח ליליים בני 2.5 עד 5.5 שעות מדי לילה מתחת לפני הים, במהלך עונת הרבייה העיקרית של האלמוגים בין החודשים יוני עד ספטמבר, במשך ארבע שנים, מ-2015 עד 2018. כך הם עקבו אחר אירועי הרבייה של כל אחד ממיני האלמוגים בשטח, וספרו כמה פרטים מכל מין משתתפים באירוע בכל לילה, כלומר פולטים תאי זרע/ביציות למים.

 

"מצאנו שבמספר מינים השתבש סינכרון הרבייה לחלוטין," מעיד שלזינגר. "לפני מספר עשורים תועדו במפרץ אילת אירועי רבייה קצרים וממוקדים, שהתרחשו בלילות ספציפיים וקבועים בשנה. היום אותם אירועים נפרשים על פרקי זמן ממושכים, לפעמים עד חודשיים. כלומר, כמעט בכל לילה, מספר מועט של פרטים משחרר ביציות ותאי זרע. חלק מהמושבות פלטו את כל הזרעים והביציות, חלקן פלטו רק חלק, ואחרות לא השתתפו כלל באירוע".

 

כדי לספק מבט מעמיק יותר על התופעה, החליטו החוקרים לבחון אותה גם במעבדה. לשם כך הם אספו דגימות אלמוגים מאתרים שונים במפרץ אילת, בזמנים שונים לאורך עונת הרבייה, במהלך ארבע שנות המחקר.

 

הם בחנו את הדגימות על פי ארבעה מדדים: גודל הביציות המעיד על מידת בשלותן, מספר הביציות בכל פוליפ (פוליפ הינו יחידת הבניין הבסיסית הקטנה ביותר של מושבות האלמוגים), אחוז הפוליפים הפוריים בכל מושבת אלמוגים, ואחוז המושבות הפוריות באוכלוסייה כולה. "מצאנו שיבושים בסינכרון בכל המדדים ובכל הרמות: בפוליפ, במושבה ובאוכלוסיית האלמוגים כולה," אומר פרופ' לויה. "עדיין איננו יודעים מה בדיוק גורם לשיבושים, אך ייתכן שהם נגרמו על ידי שינויי אקלים, כדוגמת התחממות מי הים (מי מפרץ אילת מתחממים בקצב של כ-0.31 מעלות צלזיוס לעשור) או זיהומים שונים שיצר האדם".

 

בית גידול עשיר למינים רבים. אלמוגים במפרץ אילת (צילום: תום שלזינגר)

 

אוכלוסיות שלמות על סף קריסה

כדי לבחון את השפעת השיבוש בתיזמון על מידת הצלחת הרבייה ביצעו החוקרים מעקב אחר חלקות מסומנות בשונית הטבעית. בשנת 2015 הם מיפו את אלפי האלמוגים בחלקות אלו, ובשנים הבאות נעזרו בסקרים ובצילום ברזולוציה גבוהה, כדי לעקוב אחר השינויים במינים שונים של אלמוגים, ובדקו תמותה בהשוואה להתיישבות של אלמוגים צעירים חדשים.

 

"למראית עין מצבה הנוכחי של חברת האלמוגים במפרץ אילת הוא טוב, ובכל שנה מגויסים לשונית אלמוגים רבים חדשים", אומר שלזינגר "אך מצאנו הבדלים גדולים בין מינים שונים של אלמוגים. במינים בהם נצפה חוסר סינכרון באירועי הרבייה, התגלה גם חסר משמעותי בדורות חדשים של אלמוגים צעירים. למעשה, נראה שחלק מהמינים כלל אינם מצליחים להעמיד צאצאים כבר מספר שנים, דבר המעמיד בסכנה את עתיד המין כולו".

 

"המחקר שלנו מהווה קול קורא לחוקרי שוניות אלמוגים בכל העולם להמשיך ולחקור את התופעה שחשפנו במפרץ אילת, ולבדוק מהם הגורמים לשיבוש. מוטלת עלינו האחריות לזהות בדרך זו אוכלוסיות אלמוגים, אשר למראית עין הן בריאות ומשגשגות, אך למעשה ייתכן שהן על סף קריסה בשל היעדר דור המשך. עלינו לנקוט בכל הצעדים האפשריים, כדי למנוע את המשך הפגיעה הקשה בשוניות האלמוגים, המהוות בית גידול חיוני גם למינים רבים אחרים, ויוצרות את המגוון הביולוגי הגדול ביותר בסביבה הימית." מסכם פרופסור לויה.

מחקר

14.08.2019
עם יד על הלב

מודל החישוב ההנדסי שיעשה מהפך בתחום הטיפול בחולי לב

  • הנדסה וטכנולוגיה

הלב שלנו הוא משאבה קשוחה וחזקה, שפועלת 24/7 כדי לווסת את זרימת הדם והחמצן לאיברי גופנו. ארבעה מסתמים מופקדים על הזרמת הדם במסלול חד כיווני - מהעלייה הימנית אל החדר הימני, משם ל"סיבוב הקטן" בריאות כדי לאסוף חמצן, בחזרה לעלייה השמאלית, למטה אל החדר השמאלי ומשם ברכבת הרים לכל רקמות גופנו.

 

מחלות לב וכלי דם הן גורם המוות המוביל בעולם המפותח, ומהוות כמעט 30% מכלל מקרי המוות מדי שנה. אך למרות זאת, תחום הרפואה עדיין לא יודע את כל מה שיש לדעת על האיבר המורכב הזה. ד"ר גיל מרום מבית הספר להנדסה מכנית בפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן פיתח כלי, שיכול לייצר סימולציות ממחושבות, המאפשרות לזהות שינויים במבנה הרקמות של המסתמים בלב, וכך להבין טוב יותר את הביומכניקה של פעולת הלב, לזהות בעיות אצל חולים ולשפר את הטיפול בהם.

 

ניסויים וירטואליים שישפרו טיפול בחולה בזמן אמת

"המורכבות הפיזיקלית של מערכת הלב היא סיבה מרכזית לצורך בשימוש במודלים חישוביים, הנקראים גם סימולציות", מסביר ד"ר מרום. "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. סימולציות ממוחשבות מאפשרות לערוך ניסויים וירטואליים ולבחון אפשרויות שונות לטיפול באותו חולה".

 

בניגוד להשוואת מקרים ממספר חולים שונים, היכולת להשוות מקרים אצל אותו חולה מאפשרת ללמוד את ההשפעה של פרמטר מסוים על התפקוד, לבודד אותה מגורמים אחרים, וכך למצוא מגמות המאפיינות את הבעיה.

 

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

 

המכניקה של מחלות מסתמי לב

בנוסף להשלכות הרפואיות החשובות של המחקר, הוא מרתק גם מבחינה הנדסית. "שלא כמו במחקרים הנדסיים 'רגילים' בהם מאפייני הבעיה ידועים, במקרה של הגוף האנושי יש שונות גדולה במחלות ובאוכלוסייה", אומר ד"ר מרום. מהנדסים רבים מתכננים שסתומים ומשתמשים בהם, אבל ד"ר מרום טוען ששסתומי הלב הם סוג מיוחד של שסתומי-על: העלים הגמישים של מסתמי הלב צריכים לעבור עיוותים גדולים בכל מחזור לב (משך מחזור אחד הוא שנייה), לעמוד בלחצים גבוהים ביחס לחוזקם המכני, ובעצם לעבוד ללא הפסקה במשך הרבה מאוד זמן (כל חיינו).

 

לכן, אין זה מפתיע שחלק גדול ממחלות הלב המוכרות הן למעשה בעיות בשסתומי הלב. לבעיות הללו יש כבר טיפול - תיקונים או החלפת המסתם בניתוחי לב פתוח, ובשנים האחרונות נוספה גם אפשרות להשתלת מסתם בצנתור. אך עד כה היו צריכים רופאים לעבוד בשיטת ה"ננסה ונראה": על בסיס המידע הקיים מבצעים ניתוח או צנתור אחד בחולה.

 

"המודלים החישוביים שאנחנו מפתחים מאפשרים להבין טוב יותר את הביומכניקה של הטיפול, להעריך את הסיכויים לסיבוכים שונים ובעצם לבחון אופציות לטיפול עוד לפני המגע עם החולה", אומר ד"ר מרום ומסביר "לדוגמה, המודלים שלנו יכולים לעזור למנתחים לבחור את הקוטר הרצוי שאליו יש להקטין את קוטר המסתם החולה, על מנת להביא אותו לתפקוד תקין. גם במסתמים המושתלים בצנתור, לטיפול בהיצרות מסתם 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, בעלי תפקוד טוב יותר וסיכוי מופחת להתפתחות הסיבוכים לאחר ההשתלה".

 

להגביר את סיכויי הצלחת ההשתלות

כעת מנסים ד"ר מרום וצוותו להבין את פעילות מנגנוני קרישת הדם על עלי מסתמים מושתלים, במטרה לתת מענה לחולים רבים, שכיום אינם מקבלים טיפול בגלל סיכון ניתוחי גבוה. "המטרה שלנו היא להבין במלואם את כל תפקודי הלב, כדי לשפר טיפולים קיימים ולפתח שתלים חדשים, שיצליחו לעמוד בעומסים המכניים הפועלים באיבר המורכב הזה, וכך לשפר את איכות חיי החולים", מסכם ד"ר מרום.

מחקר

16.04.2019
פריצת דרך עולמית: חוקרים באוניברסיטת תל אביב הדפיסו לב חי במדפסת תלת ממד

פריצת הדרך יכולה להוביל לעתיד שבו מייצרים עבורנו "חלקי חילוף" מותאמים אישית והשתלות איברים יהפכו למיותרות

  • הנדסה וטכנולוגיה
  • רפואה ומדעי החיים

פריצת דרך מהפכנית עתידה לסמן עתיד חדש בתחום השתלות האיברים. כיום, חולים הזקוקים להשתלות נאלצים לפעמים לחכות חודשים ושנים עד שנמצא להם איבר מתאים להשתלה, או עד שמגיע תורם ברשימת ההשתלות. גם אחרי שנמצא תורם מתאים, ישנו סיכון של דחיית האיבר על ידי הגוף, והצורך לקחת תרופות שתפקידן למנוע את דחיית האיבר, שתופעות הלוואי שלהן קשות. אך דמיינו עולם בו ניתן יהיה "להדפיס" איברים בהתאמה אישית, על בסיס הרקמות של החולה עצמו?

 

עתיד זה כבר אינו מדע בדיוני – את הסימנים הראשונים שלו ניתן לראות בקופסאות במעבדתו של פרופ' טל דביר מהפקולטה למדעי החיים, שבהן נחים להם לבבות מודפסים. "אני מקווה שבתוך 10 שנים הטכנולוגיה שפיתחנו תאפשר להדפיס לכל חולה את האיבר או הרקמה שהוא זקוק להם מרקמות שיילקחו מגופו," אומר פרופ' דביר.

 

המחקר פורץ הדרך בוצע על ידי הדוקטורנט נדב נור וד"ר אסף שפירא במעבדתו הבינתחומית של פרופ' דביר, המשויכת לבית הספר לביולוגיה מולקולרית של התא וביוטכנולוגיה בפקולטה למדעי החיים, למחלקה להנדסת חומרים בפקולטה להנדסה ולמרכז סגול לביוטכנולוגיה רגנרטיבית באוניברסיטת תל אביב. המאמר התפרסם השבוע בכתב העת Advanced Science.

 

"מאז הומצאה הטכנולוגיה של הדפסה בתלת-מימד מנסים חוקרים בכל העולם להדפיס באמצעותה, בין היתר, רקמות ואיברים להשתלה," אומר פרופ' דביר. "אנחנו פיתחנו טכנולוגיה חדשה, שנותנת מענה לחלק ניכר מהקשיים שהתעוררו בדרך."

 

המתכון ללב חדש: קולגן ותערובת של תאים

לצורך המחקר השתמשו החוקרים ברקמת שומן שנלקחה מחולה, והפרידו בין תאי השומן לבין החומר הקולגני החוץ-תאי שתומך בתאים. בתהליך מתקדם של הנדסה גנטית הם הפכו את תאי השומן לתאי גזע, ומתאי הגזע יצרו תאים של שריר לב ותאים שיוצרים כלי דם.

 

במקביל הם יצרו מהחומר הקולגני מעין 'דיו' להדפסה. הם ערבבו את כל החומרים והזינו את התערובת למדפסת, שהדפיסה לפי הוראות מחשב, על פי הדמיות MRI ו-CT של לב אנושי. הלב שהודפס בדרך זו מורכב מתאים צעירים מאוד, שכבר מתכווצים ומראים תכונות של תאי לב.

 

הדפסת הלב במעבדה - ככה זה נראה באמת

 

כיום עובדים החוקרים על גידול הלב בסביבה מיוחדת (ביו-ריאקטור), עד שהתאים יהפכו לתאי לב בוגרים, המתקשרים ביניהם ופועלים ביעילות מירבית. החוקרים מקווים שכבר בשנה הקרובה יושתלו לבבות מודפסים מסוג זה בבעלי חיים, על מנת לבחון את תפקודם.

 

איזה איבר להדפיס לך?

”השיטה שפיתחנו מאפשרת להדפיס לב בכל גודל רצוי, ומכיוון שהלב המודפס מיוצר מרקמות של החולה עצמו, הגוף לא ידחה אותו," מסכם פרופ' דביר. "יותר מכך, השיטה מאפשרת למעשה להדפיס כל איבר הנדרש להשתלה, ואנחנו מאמינים שהיא פותחת פתח לטכנולוגיות עתידיות, שייתרו לחלוטין את הצורך בתרומות איברים. כשחולה יזדקק להשתלה, תילקח מגופו רקמה, וממנה יודפס איבר מתאים בגודלו ובתכונותיו, שיושתל בגופו."

 

Postscript First

This is a debugging block

Postscript Second

This is a debugging block

Postscript Third

This is a debugging block

Postscript Fourth

This is a debugging block