ביוננומכניקה

ביוננומכניקה הוא ענף מדעי בין תחומי המשלב בין ענף הביומכניקה, החוקרת את התכונות המכניות של אורגניזמים חיים, לענף הננומכניקה החוקרת את התכונות הבסיסיות של חומרים בסקאלה הננומטרית. הביוננומכניקה המשתייכת גם לתחום הביופיזיקה חוקרת את יחסי הכוחות והלחצים המופעלים על המולקולות הביולוגיות ומתארת את תגובתן במרחב ובזמן. בנוסף, הביוננומכניקה מתארת את היחס בין המבנה לתפקוד של ננוחומרים. הפוטנציאל היישומי של הביוננומכניקה הוא פתוח שיטות מתקדמות לגילוי מוקדם ודיאגנוזה של מצבי מחלה, הנדסת רקמות וכן השראה ביולוגית (ביומימיקרי) ליישומים בתחום ההנדסה. תחום הביוננומכניקה שימש בתחילה בעיקר לחקר רקמות. לאור התפתחויות בתחום הננוחומרים ושיפור היכולת למדידת כוחות בסדרי גודל של פיקוניוטון (10-12 N), ניתן כיום לחקור ברמה הננומטרית גם את תכונותיהם המכניות של תאים בודדים ואף מולקולות בודדות כמו חלבונים, וכן לעקוב אחר תהליכים פיזיולוגיים ופתופיזיולוגיים. בשנים האחרונות ננוטכנולוגים ומהנדסים החלו ליישם את הכלים בהם משתמשים במחקר של חומרים והנדסה על תאים. ב-2005 נעשו בפעם הראשונה מדידות פיזיקליות של תאים סרטניים. התכונות הפיזיקליות הללו של תאים נלמדו בהמשך תוך שימוש במספר שיטות ננומכניות בהם משתמשים למחקר משטחי חומרים ברזולוציות גבוהות. כך לדוגמה מעכו תאים בין שתי זכוכיות מקבילות, מתחו אותם על ידי מלקחיים אופטיים ובדקו אותם על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי. רוב המערכות הביולוגיות מאורגנות בצורה היררכית בסקאלה הנעה מהאיבר עד לאבני הבניין. כך למשל העצם בנויה משבע רמות של ארגון הכוללות את תאי רקמת החיבור, סיבי הקולגן וסידן ופוספט המאורגנים בשכבות של ארגון ביולוגי. רמת הארגון הנמוכה ביותר כוללת הידרוקסיאפטיט (אפטיט), וסיב קולגן בודד שעוביים קטן מ-100nm. היכולת לחקור ולמדוד כוחות בסקאלה זו מאפשרת להבין את התכונות הבסיסיות של חומרים אלו. מחקר שנעשו לאחרונה גילו כי קיימת הטרוגניות בתכונות המכניות של סיבי הקולגן המסבירה את היכולת של העצם לפזר אנרגיה ובכך להישמר משברים. הבנת התכונות הננומכניות של תאים חיים בודדים עשוי להוביל לזיהוי שינויים בתכונות אלו במצבים פתולוגיים. מאחר שידוע כיום כי ישנן מחלות ומצבים פתולוגיים הגורמים לשינוי בתכונות המכניות של התאים כגון אלסטיות, קשיחות, הדבקה – מדידת תכונות אלו יכולה בעתיד לאפשר גילוי מוקדם למצבים פתולוגיים. כך למשל, תאי דם אדומים שהודבקו במלריה הם קשיחים פי 10 בהשוואה לתאי דם אדומים תקינים. באופן דומה, בהשוואה לתאים נורמליים, תאים סרטניים הם 70% יותר רכים ואלסטיים. כעת ניתן לבצע גילוי מוקדם לתאים מזדקנים או תאים של חולי דלקת מפרקים ניוונית על ידי ניתוח השינויים ברקמה ברמה הננומטרית על ידי מיקרוסקופ כח אטומי (AFM). חשיבותו של תחום זה לרפואה ולהנדסת רקמות טמונה ביכולת הפוטנציאלית לבצע דיאגנוסטיקה בצורה לא פולשנית, זולה ובתפוקה גבוהה, וביכולת המדידה וההבנה של יחסי הכוחות בין תאים ברקמה, או בין תא למולקולה. הבנת יחסי הכוחות בין תא לתא שכן או לסביבתו קריטית להנדסת רקמות עתידית, כיוון שהתאים יוצרים מטריצה חוץ תאית סביבם המספקת תמיכה מבנית לרקמה. ייתכן ומחקר בתחום זה יאפשר להבין את מכניזם ההתפתחות וההתחדשות של הרקמה ושל התמיינות התאים. נוסף על הגישה המחקרית, התחום התפתח בעקבות הדמיות חישוביות ובעיקר הדמיית דינמיקה ברמה המולקולרית. למרות שכיום יכולת המחשוב מאפשרת לדמות רק מספר מצומצם יחסית של אטומים ומולקולות, הדמיות אלו סיפקו ידע רב בתחום זה. מיקרוסקופ כח אטומי (AFM) המשמש לדימות משמש אף לחקר פני שטח של חומרים בסקאלה הננומטרית, ניתן לסרוק בו דגמים מבודדים ודגמים בעלי מוליכות חשמלית. בניגוד למיקרוסקופ אלקטרונים, מיקרוסקופ הכח האטומי לא זקוק למצע מוליך, לריק או לריבוץ של שכבת הגנה לצורך פעולתו ואף מאפשר עבודה בסביבה נוזלית, דבר המאפשר לו למדוד דגמים חיים כמו תאים, פני שטח של חיידקים ועוד, כמו גם מדידת השינויים המכניים שהתאים עוברים בתגובה למניפולציות שונות וטיפולים בחומרים שונים. דלקת מפרקים ניוונית ואיבוד סחוס קיימים בתפוצה רחבה בגיל ההזדקנות. השינויים הפתולוגיים המתרחשים בדלקת מפרקים ניוונית מתחילים ברמה המולקולרית ומתפשטים לרמות גבוהות יותר של ארכיטקטורת הסחוס במפרק, הגורם לנזק מבני ותפקודי מתקדם ובלתי הפיך. כיום, לא קיימים טיפולים היכולים לרפא או לעכב את פירוק הסחוס במחלה. אבחון וגילוי מוקדם של המחלה עשויים לאפשר מעקב אחר התקדמותה ופיתוח טיפול יעיל כנגדה ובכך טמונה החשיבות בפיתוח כלים המאפשרים גילוי מוקדם. חוקרים הראו כי מיקרוסקופ כח אטומי הוא כלי יעיל שיכול לעקוב אחר שינויים מורפולוגיים הקשורים לתהליכים ביוכימיים תלויי גיל המתרחשים בירכיים של עכברים נורמליים בהשוואה לעכברים הסובלים מדלקת מפרקים ניוונית. באמצעות שימוש במיקרוסקופ כח אטומי החוקרים יכלו לסייע באבחון מוקדם של המחלה. מאחר שניתן לאבחן באופן ברור ברמה הננומטרית שינויים עקב הזדקנות ודלקת מפרקים ניוונית לפני היכולת לאבחן שינויים מורפולוגיים בשיטות האבחון הנפוצות היום, המיקרוסקופ כח אטומי נחשב ככלי פוטנציאלי שיכול לאפשר את האבחון המוקדם של פתולוגיות אלו ולאפשר טיפול יעיל הניתן מבעוד מועד. באוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס (UCLA) חקרו לראשונה בצורה מכנית באמצעות שימוש במיקרוסקופ כח אטומי מאפיינים פיזיקליים של תאים סרטניים חיים שנלקחו ישירות מהחולה. החוקרים גילו כי תאי סרטן אגרסיביים יותר רכים ב-70% בהשוואה לתאים נורמליים. החוקרים הציעו כי מבחנים ננומכניים של תאים סרטניים יוכלו להיכלל בעתיד בדיאגנוזה וטיפול בסרטן. נכון להיום הגילוי הקליני של סרטן מתפשט או של גרורות אצל חולה הוא בעייתי. לרוב, השימוש במיקרוסקופ אור רגיל הנמצא בשימוש בבתי חולים לבדיקות המטולוגיות של דגימות לא יבדיל בין תאים בריאים לתאים סרטניים, דבר המוביל לאי דיוקים באבחון המחלה ומניעת טיפול יעיל. הפוטנציאל העתידי של מדידת התכונות הפיזיקליות של התאים והכנסתו לשימוש ככלי דיאגנוסטי בבתי חולים ייעל את איבחון המחלה והטיפול בה. בטכנולוגיה הנוכחית מבחנים אלו נחשבים יקרים מאוד ובתי החולים לא יכולים לאפשר את כניסת מבחנים אלו לשימוש באופן שוטף . מלקחיים אופטיים הם כלי אשר ביכולתו להפעיל כוח מושך או דוחה על ידי מיקוד לייזר. מלקחיים אופטיים יכולים להוות כלי יעיל לזיהוי מחלת המלריה. המלקחיים מותחים את התאים על ידי הפעלת כוחות בסקאלה הפיקומטרית (פיקוניוטון) וניתן לזהות את השוני במתח התאים הבריאים לעומת התאים המודבקים במלריה. התאים הבריאים גמישים וניתן למתוח אותם על ידי המלקחיים האופטיים, בניגוד לכך התאים המודבקים במלריה אינם גמישים ולא ניתן למתוח אותם ובגלל חוסר הגמישות הזו תאים אלו לא יכולים לעבור ביעילות בנימים של החולה המודבק. ננוטכנולוגיה ביומכניקה ננו-מכניקה מיקרוסקופ כח אטומי מלקחיים אופטיים ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים שכפול עצמי ננוטופוגרפית פני שטח להכוונת תאים MIT, [Nanobiomechanics Breakthrough Technology], http://www2.technologyreview.com/article/405526/nanobiomechanics/ Chen J.; (2014 Apr 6). "Nanobiomechanics of living cells: a review.". doi: 10.1098/rsfs.2013.0055. PMID 24748952. Kuo-Kang Liu and Michelle L. Oyen; (21 February 2014). "Nanobiomechanics of living materials.". doi: 10.1098/rsfs.2014.0001. http://rsfs.royalsocietypublishing.org/content/4/2/20140001.full. Hu Zhang1,Sheng Dai,Jingxiu Bi and Kuo-Kang Liu; (27 July 2011). "Biomimetic three-dimensional microenvironment for controlling stem cell fate". doi:10.1098/rsfs.2011.0035. PMID 23050083. Radmacher M; (1997 Mar-Apr). "Measuring the elastic properties of biological samples with the AFM.". PMID 9086372 Stolz M. et al.; (1 February 2009). "Early detection of aging cartilage and osteoarthritis in mice and patient samples using atomic force microscopy..". doi:10.1038/nnano.2008.410. PMID 19265849 The Feel of Cancer Cells | MIT Technology Review