פריצת דרך בחקר הלב: מודל שלם של לב אנושי על שבב

חוקרים ישראלים יצרו מודל של לב אנושי על שבב, עם עליות, חדרים וקוצבי לב, שלו יכולת לפעום באופן עצמוני ובמהירות משתנה. הדגם, שבנה פרופ' יעקב נחמיאס מהאוניברסיטה העברית בירושלים, סולל את הדרך לפיתוח תרופות וטיפולים חדישים.

בעזרת חיישנים המוטמעים ברקמת הלב גילו החוקרים מנגנון חדש של הפרעת קצב לב שלא קיים בחיות מעבדה. המודל מהווה גם אלטרנטיבה לניסויים בבעלי חיים.

דגם הלב הזעיר, שקרוב במבנהו ללב של אדם בוגר אך גודלו שליש מגודלו של גרגר אורז, שיצרו צוות מחקר בראשות פרופ' נחמיאס, הטכניון - מכון טכנולוגי לישראל וחברת Tissue Dynamics Ltd, נחשף במאמר שהתפרסם בכתב העת Nature Biomedical Engineering.

פעילות חשמלית של מודל הלב הזעיר

במסגרת עבודתם המורכבת גידלו החוקרים תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (hiPSCs) על שבב ליצירת המודל. החוקרים מציינים כי זהו המודל המציאותי ביותר כיום של לב אנושי בוגר המדמה באופן מדויק גם את פעילותו. בעוד מודלים של הלב האנושי שפורסמו בעבר היו צבר של תאי שריר לב פועמים, המחקר החדש הדגים לב אנושי זעיר שמורכב ממספר חדרים ומכיל רקמת קוצב לב (pacemaker clusters), את קרום הלב העוטף אותו (epicardial membrane) ואת רקמת פנים הלב (endocardial lining).

הפיתוח, מאמינים החוקרים, צפוי לשנות את האופן שבו נחקרות, מטופלות ומפותחות תרופות למחלות קרדיווסקולריות, המהוות כיום הגורם מספר אחת לתמותה בעולם המערבי.

דגם הלב הזעיר מכיל חיישנים שמספקים נתונים, בזמן אמת, אודות פרמטרים חיוניים כגון ספיקת חמצן, פוטנציאל השדה החוץ תאי (extracellular field potential) והתכווצות שריר הלב (cardiac contraction).

בנוסף, החוקרים גילו מנגנון פיזיולוגי חדש, שאחראי על פעילות הלב האנושי ואינו קיים בעכברים, כאשר הפרעה למנגנון החדש יצרה אריתמיה (הפרעת קצב) לבבית, ייחודית ללב האנושי שכאמור אינה קיימת בחיות מעבדה קטנות.

מדוע תרופות כימותרפיות גורמות להפרעות קצב

החוקרים מאמינים כי דגם הלב הזעיר ישמש את התעשייה הפרמצבטית העולמית, שתוכל לבדוק בעזרתו במהירות ובזול את ההשפעה המדויקת שיש לתרופות חדשות על הלב האנושי. כך למשל, התרופה הכימותרפית מיטוקסנטרון (נובנטרון) מהווה חלק מהפרוטוקול המקובל לטיפול בסרטן שד מתקדם, לימפומה נון-הודג'קין, לוקמיה וטרשת נפוצה. הטיפול במיטוקסנטרון מעלה את הסיכון להפרעת קצב לבבית ולכן ממעטים להשתמש בו.

צוות המחקר השתמש בלב הזעיר על שבב על מנת לפצח את המנגנון שבעטיו מיטוקסנטרון ותרופות כימותרפיות אחרות גורמים להפרעת קצב ומצא כי הוספת התרופה מטפורמין הפחיתה משמעותית את הפרעת הקצב שנגרמה על ידי הטיפול הכימותרפי.

פרופ' יעקב נחמיאס אוחז בידו את הלב על שבב. צילום: האוניברסיטה העברית

פרופ' נחמיאס, מנהל מרכז גראס לביו הנדסה באוניברסיטה העברית בירושלים, חבר בחברה המלכותית לרפואה וב-AIMBE, הסביר את הפוטנציאל הטמון בעבודה: "הוספת חיישנים לניטור הפעילות של דגם הלב האנושי שבנינו הקנתה לנו אפשרות לעקוב אחרי פרמטרים פיזיולוגיים חיוניים של הלב בזמן אמיתי. גילינו קשר חדש בין הפעילות החשמלית של שריר לב אנושי לקצב הפעילות המיטוכונדריאליות שלו. מדובר במנגנון שלא נצפה בחיות מעבדה. זהו פרק חדש ומרגש בפיזיולוגיה האנושית".

לדבריו, "באמצעות שיתוף פעולה עם חברת Tissue Dynamics הצלחנו לפתח מערכת רובוטית היכולה לייצר ולסרוק יותר מ-20,000 דגמים של לבבות אנושיים זעירים במקביל. היישומים הפוטנציאליים של מערכת המיקרו-פיזיולוגית הזו נרחבים. בנוסף להבטחה לשפר משמעותית את יכולתנו בהבנת הפיזיולוגיה של הלב האנושי, הן כוללות יכולות יישומים פורצי דרך בפיתוח תרופות חדשניות לטיפול בסרטן, טרשת נפוצה ומחלות קרדיו-וסקולריות שונות".

פיתוח תרופה חדשה לוקח בממוצע למעלה מעשור והעלות, מפיתוח ועד הגעה לשוק, מוערכת ביותר מ-2.6 מיליארד דולר. בעקבות חוק חדש מדצמבר האחרון, מינהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) כבר לא מחייב תרופות לעבור ניסויים בחיות מעבדה, לפיכך, דגם הלב מציע גם יתרון אתי, כאלטרנטיבה יעילה והומנית יותר לניסויים על חיות מעבדה.