המעבדה לננו-חומרים פונקציונאליים

קבוצת המחקר של פרופ’ סגל הינה קבוצה רב תחומית העוסקת בממשק בין מדע החומרים וביוטכנולוגיה לטובת פיתוח יישומים בדיאגנוסטיקה, הובלת תרופות וכן מחקרים המשלבים מחקר של טכנולוגיות ושיטות חדשות במדעי הטבע והחיים. נושאי המחקר במעבדתה של פרופ’ אסתר סגל חולשים על קו התפר בין ביוטכנולוגיה וננו-חומרים – תחומי מחקר אלה, נמצאים תחת המטרייה הרחבה של תחום הקרוי ננו-ביוטכנולוגיה.

המחקרים במעבדה כוללים מחקר בסיסי ואפיון של מבנים ננו-מטריים ויישום הידע הנלמד לפיתוח חומרים חדשניים ומערכות פונקציונאליות. החומרים הנחקרים הם לרוב חומרים ננו-מטריים סינטטיים כדוגמת סיליקון נקבובי והממשק בינו ובין חומרים ביולוגיים (למשל חלבונים ותאים). הבנת הממשק מאפשרת לתכנן בצורה מושכלת חיישנים ביולוגיים (לחישה של מולקולות מטרה שונות, כגון רעלנים כימיים וביולוגיים), מערכות להובלת תרופות, מערכות דיאגנוסטיות וחומרים “חכמים” (היכולים להגיב בצורה מושכלת לשינויים בתנאי הסביבה).

חיישנים ביולוגיים לחישה מהירה של חיידקים

התהליכים המקובלים לזיהוי וכימות זיהומים חיידקיים, הן אם מדובר בזיהוי חיידק בדוגמת דם או אפילו במזון החשוד כמזוהם, אורכים בדרך כלל מספר ימים. השיטה המקובלת היום לזיהוי חיידקים מתבצעת על ידי לקיחת דוגמא מתאימה ושליחתה לאנליזה במעבדה מיקרוביולוגית. זיהוי וכימות הזיהום במעבדה הוא אמנם מדויק אך דורש זמן רב (בין יומיים לשבוע), כוח אדם מיומן, ולעיתים גם שימוש במכשור מעבדתי מורכב ויקר. לפיכך, קיים צורך בפיתוח של טכנולוגיות אשר יאיצו את התהליכים המסורתיים ויאפשרו זיהוי וכימות של הזיהום החיידקי בתוך דקות כבר בשטח וללא צורך במשלוח דוגמאות למעבדה. במעבדת סגל מפתחים חיישנים ביולוגיים אופטיים שונים המסוגלים לנטר ולזהות חיידקים בזמן-אמת.

גבישים פוטונים לחישה של חיידקים

החיישן בנוי משבב סיליקון בעל מבנה דו-מימדי מחזורי המכיל חורים (פורות) או עמודות שאת גודלם ניתן לשנות כתלות בגודל חיידק המטרה. החיידק נלכד בתוך המבנה המחזורי וגורם לשינויי בספקטרום ההחזרה הנאסף מן השבב, כפי שמתואר בתמונה למטה:

תיאור סכמתי של מנגנון החישה: תרחיף החיידקים מוזרק לתא זרימה בו ממוקם חיישן (תמונה שמאלית עליונה), במקביל אור לבן מוקרן באופן רציף על גבי החיישן לקבלת ספקטרום החזרה אופייני מהמבנה הנקבובי (תמונה ימנית עליונה), האור המוחזר מנוטר לאור כל הניסויי. בתמונה התחתונה מתוארים פני השטח הנקבוביים של החיישן בעת החשיפה לתרחיף החיידקים (שמאל) ולאחר מספר דקות כאשר החיידקים מתיישבים ונלכדים בתוך החיישן (ימין). כניסת החיידקים לתוך החיישן ולכידתם בתוך המבנה הנקבובי גורמת לשינויי בסיגנל האופטי המוחזר.

על ידי שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת ובמיקרוסקופיה קונפוקלית ניתן לוודא כי החיידקים אכן נלכדו בתוך המבנה הנקבובי (כפי שמתואר בתמונה למטה) ואף לעקוב בזמן אמת אחר גידולם על גבי השבב ע״י ניטור של הסיגנל האופטי.

בגרף מתוארים תהליכי לכידה וגידול של חיידקים בתוך שבב סיליקון נקבובי המנוטרים על ידי מעקב בזמן אמת אחר הסיגנל האופטי. במהלך הניסויי ריכוז החיידקים במבנה הנקבובי גדל ובהתאם גם השינוי בסיגנל האופטי. תמונות המיקרוסקופיה האלקטרונית והקונפוקלית מדגימות את העליה בריכוז החיידקים במבנה הנקבובי לאורך ניסויי החישה.

טכנולוגיה נוספת שפותחה לאחרונה במעבדה תאפשר אבחון וטיפול מהיר בדלקות בדרכי השתן. זיהום בדרכי השתן הנו נפוץ, ואף עשוי להיות קטלני במיוחד בגילאים מתקדמים, בקרב חולים מאושפזים, חולים לאחר ניתוח, וחולים הנמצאים ביחידות טיפול נמרץ. הטיפול בזיהום דורש זיהוי נוכחות החיידקים ובדיקת סוג האנטיביוטיקה היעילה ביותר לזן החיידק שבודד. האבחון המקובל כיום לזיהומים מסוג זה מתבצע במעבדות מיקרוביולוגיות מרכזיות בפרק זמן של יומיים עד שלושה ימים. בהעדר אבחון מהיר ומדויק, נאלצים הרופאים, במקרים דחופים, להמליץ על טיפול אנטיביוטי רחב טווח, שהשלכותיו הן המשך התחלואה ברמת הפרט, והופעתם של זנים חיידקיים הרוכשים עמידות לאנטיביוטיקה ברמת הקהילה. במעבדתה של פרופ’ סגל פותח שבב ייחודי המאפשר לנטר את התנהגותם של החיידקים ולקבוע איזו אנטיביוטיקה תפעל עליהם ביעילות הגבוהה ביותר. העבודה פורסמה לאחרונה בכתב העת היוקרתי  ACS Nano.