מחקר חדש: האם הדרך לנצח את הסרטן טמונה בשיטת מיקרוסקופיה חדשנית ברזולוצית-על?

המיקרוסקופ שבו השתמש פרופ' אילון שרמן. קרדיט צילום - באדיבות דוברות האוניברסיטה העברית

פרופ' אילון שרמן, תלמיד המחקר במעבדתו ארן יעקוביאן ופרופ' ירדנה סמואלס ממכון ויצמן הצליחו לזהות לראשונה מקבצים של חלבונים אונקוגניים בתאי מלנומה ולהתבונן באינטראקציה בין החלבונים בשיטה זו, בדיוק של כ-20 ננומטר. המחקר פותח צוהר לטיפולים חדשניים נגד סוגי סרטן רבים

המיקרוסקופ שבו השתמש פרופ אילון שרמן. קרדיט צילום - באדיבות דוברות האוניברסיטה העברית

לתאים הבריאים הנמצאים בגוף האדם קיימים מנגנוני בקרה (גנים) האחראים על איזון התפקוד ועל ופעולות תאיות. תאים סרטניים נוצרים כאשר ישנו שינוי מוטנטי בקידוד של חלבונים מסוימים (אונקוגניים). כתוצאה מכך האיזון שנותן מנגנון הבקרה מופר והתאים הסרטניים מבצעים פעולות הרסניות לגוף, ומקבלים עליהם תכונות חדשות כמו חלוקת יתר מהירה שלא לצורך. הואיל ופעולות התאים מתבצעות על ידי העברת מידע בין החלבונים הבריאים, ניתן לצפות לשינויים בהתארגנות המרחבית של אותם חלבונים ובאינטראקציות ביניהם בעקבות השינוי הגנטי. למרות זאת, מחקרים רבים הנוגעים לאינטראקציה בין החלבונים בתאים סרטניים התקשו לקבוע כיצד מתארגנים החלבונים הפגומים במרחב, ולהסביר את אופן הפעילות במסלולי העברת המידע בזמן החלוקה התאית.

פרופ' אילון שרמן ותלמיד המחקר ארן יעקוביאן ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית, הפועלים במעבדה העוסקת בביופיזיקה ניסיונית ופיתוח שיטות מיקרוסקופיות חדשניות,  בשיתוף עם מעבדתה של פרופ' ירדנה סמואלס במכון וייצמן המתמחה בגנטיקה של סרטן המלנומה (סרטן עור), פרסמו מחקר חדש ומרתק בנוגע להתארגנות המרחבית של חלבונים בתאים סרטניים, בכתב העת Research Cancer של האגודה האמריקאית למלחמה בסרטן AACR – תוך התמקדות בשיטת המיקרוסקופיה ברזולוציית-על. השיטה נועדה להקל בפענוח מיקומם והתארגנותם של חלבוני איתות, אשר מעבירים מידע בין התאים הסרטניים. פרופ' שרמן, יעקוביאן ופרופ' סמואלס הצליחו לזהות לראשונה מקבצים של חלבונים אונקוגניים בודדים בתאי מלנומה ולהתבונן באינטראקציה בין החלבונים בשיטה זו, בדיוק של כ-20 ננומטר.

פרופ אילון שרמןהשיטה שבה נעזרו פרופ' שרמן, פרופ' סמואלס ויעקוביאן במחקרם קיבלה חשיפה משמעותית בשנת 2014, אז זכו שלושה חוקרים בפרס נובל בכימיה - לאמריקנים אריק בציג וויליאם אי. מרנר ולגרמני סטפן הל - מפתחי המיקרוסקופיה הפלואורסנטית בסופר-רזולוציה. שלושת המדענים אפשרו לראשונה לשבור את גבולות הרזולוציה שהייתה קיימת עד לאותה תקופה, ולהתבונן במרכיבי תאים חיים בגודל של עשרות ננומטרים בלבד. פריצת הדרך שלהם יצרה תחום חדש של ננו-סקופיה אופטית (צפייה בגדלים קטנים במיוחד), אותו סייע פרופ' שרמן לפתח יחד עם חוקרים נוספים ברחבי העולם. המערכת שבה השתמשו החוקרים במחקר זה מבוססת על מיקרוסקופ של חברת ניקון (מסוג eclipse Ti). פרופ' שרמן מסביר כי "הרחבנו בעבר את השיטה המיקרוסקופית לעבודה בשני צבעים ויותר. למה זה קריטי? כי רק אז אפשר להסתכל על אינטראקציות בין כל שני חלבונים בתא אנושי ולהבין את אופן העברת האותות בין תאים ובתוך תאים ברזולוציה של מולקולה בודדת".

בתחילת המחקר הנוכחי, התמקדו החוקרים במציאת מיקומם של NRAS ו-BRAF, שני חלבונים חשובים להעברת מידע בין תאים סרטניים של מלנומה, ואף בסוגי סרטן אחרים. נכון להיום, לא קיימת תרופה ממוקדת נגד מוטציות ב-NRAS, כשנטרול הפעולה של מוטציית החלבון נחשבת למטרה קשה במיוחד. התרופות שפותחו עד כה נגד התאים המכילים מוטציית ב- BRAFגם הן נחשבות פחות יעילות בשל התפתחות של עמידות התא הסרטני נגד התרופה. עובדות אלו מציבות את החלבונים הללו במוקדי המחקר ברחבי העולם לצורך פיתוח תרופות למחלת הסרטן, בדגש על פיתוח תרופות נגד מלנומה. פרופ' שרמן מבהיר: "המוטיבציה הגבוהה מאחורי המחקר שלנו קשורה בעיקר לחלבון RAS, נגדו כנראה אי אפשר לפתח תרופה. RAS הינו אונקוגן נפוץ מאוד בו מופיעות מוטציות בעד כמחצית ממקרי סרטן מסוימים. הבעייתיות בנוגע אליו היא שהוא קושר את המולקולה שעמה הוא פועל כל כך חזק, שאין אף תרופה שמסוגלת להתחרות בקשר הזה. לכן, יש מאמץ רב למצוא פתרון שיוכל לעקוף את הקשר הזה, כדי להוביל לריפוי סוגים רבים של סרטן".

החוקרים הגיעו עד לרמת רזולוציה מקסימלית במחקר, המאפשרת זיהוי ממוקד של מיקום החלבונים הבודדים על פני קרום המעטפת של התאים הסרטניים, ובעזרתם יצרו "מפה סטטיסטית" – דרכה ניתן להבין את הפעילות המרחבית הסרטנית ובעיקר איך התאים הסרטניים עובדים בפעילות יתר וגוררים התפתחות של מלנומה. התאים יצרו מבנים מרחביים ותבניות קבועות, כשהחוקרים הצליחו למנות את כמות החלבונים בכל מבנה, לאפיין את תנועתם, ולזהות את הקשרים המרחביים בין החלבונים השונים. פרופ' שרמן: "החלבונים הסרטניים 'מדברים' אחד עם השני ומטרתם להעביר סיגנל כדי לגרום לתא להתחלק בצורה מהירה ולא מבוקרת. הם עוברים מוטציה, וכך הם מסוגלים לעקוף סיגנל חיצוני לתא או לייצר סיגנל עצמאי. אנחנו חושבים שהמבנים שנוצרים, אותם גילינו דרך השיטה המקרוסקופית החדשה, שולטים בתהליך ההתחברות של החלבונים והעברת האותות".

החוקר מסביר עוד כי "הצבירים שחשפנו נבחנו בעבודות קודמות, אבל החוקרים הסתכלו בהם רק על חלבון אחד, ולא יכלו לתאר את התקשורת בין החלבונים. השיטות הקודמות שבוצעו היו גם לא יעילות כי הן כללו תהליך הכנה אגרסיבי של התאים – שנקרעו ממשטחים והסתכלות על השאריות שלהם. השיטה החדשה שבה השתמשנו היא הנקייה והמדויקת ביותר שקיימת בהקשר של אפיון המקבצים באמצעות אותו מיקרוסקופ חדשני ברזולוציה גבוהה. אפשר ממש לספור מולקולות במבנים מורכבים בתאי הסרטן השלמים, ולמקם אותן בדיוק גבוה במרחב".

החוקרים מאמינים כי המידע על מיקומם והתארגנותם של חלבוני מפתח בהעברת איתות סרטני בתוך התא ומחוצה לו, עשוי להוביל בעתיד לפענוח פעולתם של חלבונים מסוגי סרטן שונים שעברו שינוי מוטנטי ולמדע היה קושי רב בהבנת תפקודם. הם גם בטוחים כי השיטה עשויה לסלול את הדרך לטיפול חדשני ויצירתי בתאים הסרטניים. "במחקר עתידי נהיה מעוניינים לבדוק את הדינמיקה והמנגנונים של היווצרות מקבצים של חלבונים בתאים, לעקוב אחרי אינטראקציות של חלבונים נוספים במסלול האיתות, ולחקור לעומק את השפעת ההיווצרות של עמידות של תאים על מגוון של תרופות ועל ההתארגנות המרחבית של החלבונים. ראוי לציין כי אנחנו ממשיכים לחקור באופן דומה מנגנוני איתות במערכות ביולוגיות חשובות נוספות, כמו פעילות תאים במערכת החיסון", מסכמים החוקרים.

לפרסום המדעי: https://cancerres.aacrjournals.org/content/early/2020/12/19/0008-5472.CAN-20-1205

לפרסום בתקשורת: https://www.israelhayom.co.il/article/847645

https://doctorsonly.co.il/2021/02/220424/