דיאגנוסטיקה וחישה

innovation logo

דיאגנוסטיקה וחישה

ויפה סנסור אחד קודם

שילוב כוחות בין הנדסה ואפליקציות ביו-רפואיות, המבוססות על סנסורים ואמצעי חישה ביולוגית, מאפשר פיתוחים אפקטיביים, וביניהם: גילוי מוקדם של אלצהיימר, הדמיות אנדוסקופ ברזולוציה גבוהה, מערכת משופרת לבדיקות CT אבחנה מיידית בין וירוס לחיידק ועוד

"יישומים מולטי-דיסציפלינריים המשלבים הבנה ביולוגית ורפואית, ביחד עם יכולת ההנדסית לעבד נתונים ולפתח אלגוריתמיקה, מאפשרים מגוון פתרונות חדשניים לדיאגנוסטיקה (אבחון מחלות) ולטיפול בתחלואים שונים. לא תמיד הפתרונות הרפואיים מציעים ריפוי מלא, אך הודות לדיאגנוסטיקה מוקדמת – החולים יזכו לאיכות חיים טובה יותר", כך אומר פרופ' זאב זלבסקי, דיקאן הפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר אילן ואחד המובילים בקידום תחום הננו-טכנולוגיה בארץ.

"אנחנו עובדים כעת על ניטור התפתחות של מחלת אלצהיימר. כאשר המחלה הזו מתקדמת, חל שינוי ביחס הריכוז בין שני החלבונים – עמילואיד בטא וטאו - המופרשים לנוזל השדרה. הבדיקה הרווחת היום מורכבת, פולשנית ודורשת אשפוז. כדי לבדוק התקדמות של אלצהיימר מבצעים הליך של ניקור מותני - מוציאים מעמוד השדרה מזרק עם החלבונים הללו ובודקים במעבדה את הריכוז שלהם. כך יודעים אם תרופה ניסיונית כלשהי משפרת את המצב ואם שינוי באורחות החיים מעכב את המחלה או להיפך. ניקור מותני הוא פרוצדורה יקרה, ממושכת ולא נעימה, המתבצעת במרכז הרפואי. מכיוון שכך, ברוב המקרים מבצעים ניקור מותני פעם בחצי שנה, לכל היותר. תדירות נמוכה זו לא תמיד מסייעת באיתור הסיבה להידרדרות האלצהיימר", מתאר זלבסקי.

פרופ' זלבסקי פיתח במעבדה שתי טכנולוגיות שונות, שצירופן נותן פתרון לבעיה זו. טכנולוגיה אחת מאפשרת לבצע דגימוּת אופטית מאחורי תווך-מפזר (מאחורי הרקמה, בעת ניקור מותני), והטכנולוגיה השנייה מאפשרת למדוד ולגלות כימיקלים וחומרים בתוך אזור הבדיקה. "הקונספט שפיתחנו משלב את שתי הטכנולוגיות גם יחד", הוא מסביר. "הטיפול מתבצע בקליניקה בצורה לא פולשנית ומבלי להוציא את נוזל השדרה. המטופל יושב על כיסא, והאור במכשיר שמאחוריו סורק את האזור הרלוונטי בתוך נוזל השדרה, מאחורי הרקמה. המידע שמתקבל מפיזור האור מנותח בעזרת ספקטרוקופיית ראמן – מכשיר רגיש בעל רזולוציה מוגברת המסוגל לבדוק את הימצאות החלבונים המדוברים. טכנולוגיה זו נמצאת בתחילת הדרך המסחרית שלה, ואנו כרגע בשלבים אחרונים לקראת סגירת השקעה בחממת אינסנטיב. רשות החדשנות תומכת בנו בפרויקט זה".

 

אנדוסקופ דקיק עם אלגוריתמיקה ייחודית

מאחורי פרופ' זלבסקי עשרות רעיונות חדשניים ומחקרים פורצי דרך, שהובילו לפיתוח טכנולוגיות ייחודיות שמוסחרו למוצרים מועילים בתחומי אלקטרו-אופטיקה ואפליקציות ביו-רפואיות. כיום הוא מתמקד בתחומי מחקר של חישה ביו-רפואית, סופר-רזולוציה וננו-פוטוניקה. "המטרה שלי היא לא רק לבצע מחקרים, אלא גם להבשיל טכנולוגיות שיועילו למשתמש הסופי. כדי ליישם מטרה זו, אני משתף פעולה עם רשות החדשנות. הרשות מציעה תוכניות ומסלולים למיזמים בתחילת הדרך, שנמצאים בדיוק בשלב המורכב שבו צריכים לגייס משקיעים כדי להפוך לסטארט-אפ עם מוצר בשל. במקרים מסוימים, חלק מהטכנולוגיות הבשלות שפיתחתי כבר עברו לתוכניות מתקדמות של הרשות כמו חממות ומסחור לסטארט-אפים", הוא מפרט. 
רשות החדשנות תמכה במיזם ייחודי נוסף פרי מוחו הקודח - תוספת למערכת CT שיכולה לתת תמונת CT ברזולוציה משופרת ובפחות קרינה. הסובלים מבעיה זו הם בעיקר הרופאים, הנחשפים לקרינה במשך רוב שעות עבודתם על אף אפודי העופרת שהם לובשים. לדבריו, "מאחורי מערכת ה-CT הזו יש אלגוריתמיקה מיוחדת וחכמה המשפרת את רזולוציית התמונה ומאפשרת ביצוע צילום בפחות קרינה. בשלב זה, נבדקת המערכת גם בקרב רופאים המבצעים ממוגרפיה". 

פרויקט נוסף שמשלב אלגוריתמיקה וחומרה באפליקציות ביו-רפואיות הוא פיתוח הקשור לתחום המיקרו-אנדוסקופיה. לעתים, מתעורר צורך לבצע טיפול רפואי בתוך הגוף והרופא צריך לראות מקרוב כדי לטפל בהצלחה. שתי הטכנולוגיות האנדוסקופיות הנפוצות הן: האחת, Chip on the Tip - מצלמה שנכנסת לגוף פנימה, רואה תמונה ומשדרת אותה בכבלים חשמליים, והשנייה, Fiber Endoscope - מכניסים סיב אופטי, כאשר הסנסור (או המצלמה) נשארים בחוץ אצל הרופא. 

לשימוש בטכנולוגיות אלו נלוות כמה בעיות משמעותיות: הראשונה, צורך בסטריליזציה לאחר כל טיפול. השנייה, קוטרם של הסיב האופטי או המצלמה קטן ולא מתאים לקבלת תמונה ברזולוציה גבוהה באזור מסוים בגוף. אך הגדלת הקוטר הופכת את הטיפול לפולשני יותר. הבעיה השלישית היא שכמות הדם הנמצאת בתוך הגוף עלולה להפריע לאיכות התמונה המשודרת. "האנדוסקופ שפיתחנו מתמודד עם בעיות אלה. הוא דק מאוד להחדרה, בעל קוטר קטן, והודות לאלגוריתמיקה שלו הוא מאפשר הדמיה ברזולוציה משופרת למרות הדם. החלק של האנדוסקופ, שנכנס לגוף המטופל, הוא גם חד פעמי ולכן אין בעיית סטריליזציה. הטכנולוגיה הזו מוסחרה לפני שבע שנים מהמעבדה שלי, וכיום חברת הסטארט-אפ Zsquare נמצאת בשלבים מתקדמים. המוצר נמצא בתהליכי רגולציה רפואית ואני מקווה שבקרוב הוא יצא לשוק", מציין פרופ' זלבסקי.

 

אור לייזר ורעידות לאבחון רפואי מרחוק

אחד הפרויקטים הוותיקים שמעסיקים אותו ב-15 השנה האחרונות הפך לפני חמש שנים לחברת סטארט-אפ בשם ContinUse Biometrics. מדובר בטכנולוגיה שפיתח במעבדה בבר אילן, אשר יכולה לבצע אבחון רפואי מרחוק בעזרת אור לייזר ומצלמה עם אופטיקה מיוחדת. "המטופל ניצב מול הסנסור, כשהוא מואר על ידי אור לייזר. האור המתפזר מהרקמה נקלט על ידי המצלמה עם האופטיקה המיוחדת ומעובד אלגוריתמית. בהתאם לתבנית הפיזור, האלגוריתם מנתח את השינויים בזמן ובמרחב של הרעידות ברקמה ומאבחן את מצב המטופל. הסנסור רגיש ויודע לקבל בדיוק ננומטרי את קצב הרעידות ואופיין. הרעידות מאפיינות את הגוף האנושי, שכן אנחנו בנויים ממולקולות שרועדות, זרימת דם, ורעידות הקשורות לפרמטרי חיות בסיסיים כמו נשימות ופעימות לב", מתאר פרופ' זלבסקי.

מעבר לכך, הטכנולוגיה הזו יכולה להיות גם שימושית לקורונה. אפשר לחוש באמצעותה את ראשית התפתחותה של דלקת ריאות, קשיי נשימה, חרחורים בנשימה, דופק גבוה, לחץ דם, עלייה של טמפרטורה, ירידה של רווית חמצן ועוד. וכל זה מרחוק, בלי להתקרב לסנסור ובלי רופא צמוד. מכשיר כזה אפשר להציב בכניסה לקניון, למשל, כדי לבדוק מי מהאנשים מפתח תסמינים דומים.

במסגרת המחקרים ניסה פרופ' זלבסקי גם לקרוא מחשבות. "כשאנחנו מפעילים את המוח – זורם דם לאותו אזור במוח בהתאם לסוג הפעולה שאנו עושים. ההבנה הזו היא הבסיס לטכנולוגיה שפיתחנו. בלעדי המולטי-דיסציפלינריות המדע לא יהיה מספיק מעמיק ומועיל לאנושות", הוא מסכם. "כמות הידע וסוגי ההתמחויות רבים ומגוונים עד כדי כך שאי אפשר להתמחות בכל התחומים, והדרך הנכונה לקדם התפתחות מדעית בעלת אימפקט מדעי ויישומי גבוה היא בשילוב הכוחות והידע מתחומים שונים".

 

להפחית את השימוש באנטיביוטיקה

התפתחות מדעית חשובה בעלת השפעה גדולה היא בדיקת הדם המהפכנית לזיהוי מקורם של זיהומים שפיתחה חברת MeMed. הבדיקה מסוגלת לזהות, בתוך כ-15 דקות, האם הזיהום בגוף נגרם כתוצאה מנגיף או מחיידק. חוסר הוודאות באבחון מחלה זיהומית מתמקד בשאלה קלינית פשוטה לכאורה - האם ההדבקה חיידקית ויש צורך במתן אנטיביוטיקה, או שמדובר בווירוס? מכיוון שהמופעים הקליניים של הדבקה חיידקית והדבקה וויראלית דומים מאוד, פעמים רבות ניתנת לחולים אנטיביוטיקה גם כשאין צורך בכך.

האימפקט בבדיקה כזו משמעותי מאוד, לא רק מכיוון שזיהוי מהיר של מקור הזיהום מדייק את השימוש באנטיביוטיקה, אלא מפני שמתן אנטיביוטיקה שלא לצורך מסייע ליצירת זני חיידקים העמידים לה. "זהו אחד האתגרים הבריאותיים הגדולים ביותר של המאה ה-21", אומר ד"ר ערן אדן, מנכ"ל ומייסד-שותף בחברה. "הפתרונות הקיימים היום בשוק מספקים תשובה רק לאחר כמה ימים, מחייבים נגישות למחולל המחלה, אינם יודעים לזהות זנים חדשים, או שאינם מזהים נשאים".

הישג חדש נרשם לאחרונה כאשר החברה קיבלה אישור רגולטורי לשיווק הדור השני של הבדיקה המהירה באירופה ובישראל. לדברי אדן, "החידוש בבדיקה של MeMed הוא קודם כל בגישה המחקרית. הבדיקה לא מתבססת על דגימת הגורם המזהם, אלא על תגובת המערכת החיסונית של המטופל. פיתחנו מכשיר ייעודי קטן המודד, בעזרת סנסורים שונים, את רמתם של שלושה חלבונים, שניטורם מעיד על מקור הזיהום". 

 

טכנולוגיה המשלבת דיסציפלינות שונות

חברת MeMed הוקמה לפני כעשר שנים על ידי אדן וד"ר כפיר עובד, שמשמש כיום סמנכ"ל טכנולוגיות בחברה. "יש לנו גם חברת בת שקמה בארצות הברית כחלק מההסכמים עם הממשלה הפדרלית", אומר אדן. "החברה יכולה לייצר מכשירים רפואיים על פי תקינות מסוימות, והיא גם מגובה על ידי כמה מקרנות ההון-סיכון המובילות בארצות הברית ובאסיה. החברה גייסה עד היום כמאה מיליון דולר, וקיבלה בנוסף מענקים בגובה של 35 מיליון דולר ממשרד ההגנה האמריקאי ומהאיחוד האירופי. למוצר שלנו יש את הפוטנציאל להשפיע על חייהם של הרבה אנשים בעולם". 

תהליך פיתוח טכנולוגיה מתקדמת נמשך לא מעט זמן, בפרט כשמדובר בטכנולוגיה המשלבת כמה דיסציפלינות שונות. הטכנולוגיה במכשיר שפיתחה MeMed נוגעת בארבעה מימדים: "הצד הקליני - רפואה דחופה, רפואות זיהומיות ומחלות ילדים; אימונולוגיה מולקולרית הקשורה למערכת החיסון; בינה מלאכותית ולמידת מכונה לייעול מדידת תגובות גוף האדם; והנדסת מערכות המתמקדת באלמנטים נוספים באוכלוסיית היעד לטיפול. מבחינת הפיתוח זהו אתגר גדול ביותר, אך הודות לשילוב הזה ניתן להגיע לפריצת דרך משמעותית. גם רשות החדשנות מקדמת את תפיסת ה-Bio-Convergence. החיבור הלא טריוויאלי בין דיסציפלינות שונות יוצר חסם כניסה גבוה בתחילת הדרך, אך בשלבים מתקדמים יותר – מדובר ביתרון עצום".

הודות למענקים מהאיחוד האירופי וממשרד ההגנה האמריקאי, MeMed לא נעזרה תקציבית ברשות החדשנות, אך מינהלת ISERD נרתמה לעזור לחברה בהיבטים אחרים. לדברי אדן, "אנחנו מוקירים להם תודה גדולה על החניכה הממושכת בשלבים הראשונים. כיום אנו נמצאים בקשר עם רשות החדשנות כדי לקדם תוכניות עתידיות ברוח ה-Bio-convergence. אנו נמצאים בתוך קהילה, ומרגישים צורך גדול לתרום ולעזור". 

 

זיהוי מוצלח במעל ל-90 אחוזים

תהליך הפיתוח של הבדיקה היה מורכב לאין שיעור, מציין אדן. "רק אחרי ארבע שנים של איסוף דוגמאות קליניות, מדידתן וניתוחן, קיבלנו תוצאות ראשוניות טובות. במהלך המחקר שערכנו סרקנו את המרחב החלבוני של גוף האדם, ובדקנו איך הוא מגיב לווירוסים ולחיידקים שונים. אחד האתגרים, לדוגמה, היה ההתאמה לגיל המטופלים. בסופו של דבר, נשארנו עם שלושה חלבונים רלוונטיים שכינינו בשמות של טעמי גלידה - טופי, צ׳רי ופקאן".

הדור הראשון של המוצר סיפק תשובה לאחר שעתיים, ומאז עבר לא מעט שינויים והתאמות. "עשינו מחקר נוסף של 777 ילדים מכל הארץ, בשיתוף עם אחד מבכירי רופאי הילדים באירופה", מספר אדן, "והתוצאות היו זהות למחקר הראשון – זיהוי מוצלח במעל ל-90 אחוזים וסיכויים נמוכים לזיהוי שגוי (NPV). המשכנו לעבוד על מחקרים נוספים בקנה מידה גדול יותר, בעזרת מימון שקיבלנו מהאיחוד האירופי, כשהמטרה היא לייצר מסה אדירה של נתונים קליניים התומכת באיכות ובמהימנות הבדיקה".

ב-MeMed הבינו שכדי שהמכשיר יהיה שימושי יותר, יש צורך במתן תשובה מהירה, תוך מספר דקות. הסוד טמון במהירות מדידת מולקולות החלבון בתוך המכשיר. "כפיר, השותף שלי, הגה רעיון מהפכני – למזער מכונה גדולה, שיודעת למדוד את החלבונים", מספר אדן. "בעקבות זאת נכנסנו לתהליך הנדסי ארוך וזכינו למענק ממשרד ההגנה האמריקאי, בעזרת ד"ר טניה גוטליב שהובילה את המגעים מולם.

"את האישורים הישראליים והאירופאיים לדור השני של המכשיר כבר קיבלנו, ואנו עובדים במקביל גם על אישור של ה-FDA האמריקאי. למעשה, הפלטפורמה המשולבת שלנו יכולה לבדוק כל חלבון אנושי, ואפשר לקחת את הרעיון הזה ולהשתמש בו לצרכים קליניים אחרים", הוא מסכם.

 

צחי שנרך, סגן מנהל רשות החדשנות, ראש מערך הטכנולוגיות וענפי השוק: "משבר הקורונה חידד את האתגרים שאנו חווים היום בתחום הבריאות ואת הצורך הגדול בפתרונות חדשניים שלא קיימים בשוק. למשל, אחת הבעיות היסודיות שיש לנו היום עם נגיף הקורונה היא חוסר בכלי דיאגנוסטיקה יעילים ומהירים. בימים אלו לוקח כשלושה ימים לקבל את תוצאות הבדיקה וכחמישה ימים עד שאנשים שבאו במגע עם חולים מקבלים על כך הודעה. זהו פרק זמן ארוך מדי שלא מאפשר לקטוע באופן יעיל את שרשרת ההדבקה. אם התוצאות היו מתקבלות תוך רבע שעה - היינו במצב טוב הרבה יותר.  באמצעות Bio-convergence יתאפשר  לפתח טכנולוגיות דיאגנוסטיקה חדשניות שיאפשרו זיהוי טוב ומהיר יותר מבעבר".