פריצת דרך בשיקום הראייה

במשך עשרות שנים, שתלי רשתית היו בין התקוות הגדולות ביותר לחולים הסובלים מעיוורון ניווני - מחלות שבהן קולטני האור ברשתית מתנוונים ומתים בהדרגה, כמו בניוון מקולרי קשור גיל או רטיניטיס פיגמנטוזה. למרות שהתאים העצביים האחרים ברשתית נותרו בחיים, איבוד קולטני האור היה מוביל את החולים לעיוורון מוחלט או כמעט מוחלט.

שתלים אלקטרוניים שפותחו לצורך זה, נועדו לעקוף את קולטני האור הפגועים ולגרות ישירות את תאי העצב הנותרים, אך למרות ההתקדמות הטכנולוגית, יעילותם נותרה מוגבלת. השתל ההיברידי החדש שפיתחו חוקרי בר-אילן מבקש לשנות זאת על ידי שילוב תאי עצב ביולוגיים שמסוגלים לתקשר עם הרשתית בשפה הטבעית שלה, במקום גירוי חשמלי גס. בימים אלה מתקדם השתל ההיברידי לבדיקות פרה-קליניות נוספות במודלים של ניוון רשתית, עם המטרה ארוכת הטווח לאפשר ניסויים בבני אדם.

הבעיה: שתלים אלקטרוניים לא יעילים
השתלים הקיימים מספקים רזולוציה מרחבית נמוכה מאוד, עם חדות ראייה הנעה בין 20/440 ל-20/1200 – רחוק מאוד מראייה טבעית. ניסויים קליניים הראו שחולים יכולים להשתמש במכשירים אלה לקריאת טקסט גדול עם הגדלה, לזהות שלטים ולשפר את הראייה התפקודית. עם זאת, רגישות לניגודיות ופרטים עדינים נותרים מחוץ להישג יד, ומודלים חישוביים מעריכים שהתקרה הטכנולוגית של השתלים הקיימים היא כ-20/100 במקרה הטוב.

אתגר קריטי נוסף טמון באופן שבו שתלים קיימים מעוררים את הרשתית: באמצעות אותות חשמליים בדידים ולא סלקטיביים שמפעילים את כל התאים בו-זמנית. לעומת זאת, ראייה טבעית מפעילה באופן בררני תאי רשתית שונים בתגובה לשינויים בעוצמת האור, ויוצרת את העושר הדינמי של ראייה בריאה. השתל ההיברידי החדש שפיתחו חוקרי בר-אילן מבקש לשנות זאת על ידי שילוב תאי עצב ביולוגיים שמסוגלים לתקשר עם הרשתית בשפה הטבעית שלה, במקום גירוי חשמלי גס.

הפתרון ההיברידי: כשהנדסה פוגשת את הביולוגיה
את שתל הרשתית ההיברידי שעשוי להתגבר על המכשולים הללו פיתחו בשיתוף פעולה חוצה פקולטות: פרופ' יוסי מנדל, ראש המעבדה למדעי וטכנולוגיית העין באוניברסיטת בר-אילן, וסגן נשיא בר-אילן לקשרי תעשייה פרופ' זאב זלבסקי מהפקולטה להנדסה. המחקר, שפורסם ב-Advanced Functional Materials, מציג שתל המשלב שני רכיבים חזקים:

• מיקרו-אלקטרודות בצפיפות גבוהה בעיצוב תלת-ממדי ייחודי של "בורות מיקרו".
• נוירונים גלוטמטרגיים המופקים מתאי גזע עובריים, המסוגלים להתבגר לקולטני אור צעירים.

כל בור מיקרו ברוחב 10 מיקרון ובעומק של עד 15 מיקרון מכיל נוירון בודד. בבסיס כל בור יושבת מיקרו-אלקטרודה בקוטר של 5–6 מיקרון בלבד. הצימוד האינטימי הזה מגביר את השדה החשמלי המקומי פי 1,000 בהשוואה לאלקטרודות שטוחות.

התוצאות: ראייה חדה, סלקטיבית וטבעית יותר
המבנה החדשני הניב תוצאות דרמטיות:

• ספי הפעלה נמוכים במיוחד – דומים לגירוי תוך-תאי, נמוכים פי מאות מאשר בשתלים קיימים.
• תגובות נוירונליות עוצמתיות – תא בודד הגיב לגירוי מינימלי (חמישה פיקוקולומב בלבד) ויצר שינוי ממברנלי של 18 מיליוולט – עוצמתי פי עשרה מהתגובה הטבעית של קולטן אור לאור.
• "חוסר דיבור צולב" מינימלי – עיצוב בור המיקרו הפחית הפעלה לא רצויה של תאים שכנים ביחס של 1:430, מה שמאפשר ניגודיות חדה וראייה ברורה יותר.

במכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים (BINA) של אוניברסיטת בר-אילן, הצוות ייצר את המכשיר ואימת אותו בניסויים. נוירונים שמקורם בתאי גזע, שהושתלו בבורות המיקרו, לא רק שרדו בשיעור גבוה אלא גם הושיטו השלכות אקסונליות לעבר רשתית המארח. חשוב לציין שנוכחות של סמנים סינפטיים (Ribeye) העידה על יצירת קשרים ביולוגיים פעילים בין התאים המושתלים לתאי הרשתית של המארח.

הצצה לעתיד של שיקום הראייה
פריצת הדרך הזו מסמנת את ההדגמה הראשונה של ממשק סינפטי ביו-הנדסי בין שתלים מיקרו-אלקטרוניים לנוירונים ביולוגיים, שנועד לתרגם גירוי חשמלי לשפה הטבעית של הרשתית. פרופ' מנדל מסביר: "המטרה שלנו היא לעבור מעבר למגבלות של אלקטרוניקה טהורה. על ידי שילוב נוירונים חיים עם מערכי מיקרו-אלקטרודות, אנחנו יוצרים שתל שלא רק מגרה את הרשתית אלא עושה זאת בדרך משמעותית מבחינה ביולוגית. התקווה היא לספק לחולים עיוורים ראייה חדה, ברורה וקרובה יותר לראייה טבעית מאי פעם."

שיתוף פעולה בין תחומי
הפרויקט היה מאמץ משותף של חוקרים מהפקולטה למדעי החיים, הפקולטה להנדסה ומכון BINA לננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן. עם חברי הצוות של פרופ' מנדל ופרופ' זלבסקי, נמנו גם החוקרים ד"ר נאירוז פראח, ד"ר עמוס מרקוס, הדוקטורנט גל שפון וד"ר יואב שמלא.

לתוכניות הלימוד בהנדסה 

לתוכניות הלימוד במדעי החיים

לתוכניות הלימוד בבית הספר לאופטומטריה ומדעי הראייה