אבולוציה מסריחה - יונת אשחר

תחרות אבולוציונית מעניינת מתקיימת בין בעלי חיים הניזונים מפגרים לבין חיידקים ופטריות הניזונים מאותו מקור. לאחרונה בדק חוקר מאוניברסיטת מנצ'סטר השערה בנושא משנות השבעים ואישר מסקנה זו

כאשר מדברים על ברירה טבעית ועל אבולוציה, מדברים לרוב על תחרות בין פרטים מאותו מין או ממינים קרובים – הצבי שמסוגל לרוץ מהר יותר מחברי להקתו, הנמר בעל החושים החדים יותר, שועל השלג בעל הפרווה הארוכה יותר – ישרדו וישגשגו על חשבון קרוביהם בעלי הגנים המוצלחים פחות.

אבל בעלי-חיים מתחרים לא רק בבני-מינם, אלא גם ביצורים שונים מאוד מהם – לעתים שונים עד כדי כך שאינם כלל בעלי-חיים. האקולוג האמריקאי דניאל ג'נסן (Jansen) הבין כבר בשנות ה-70 כי ישנה תחרות בין בעלי חיים הניזונים מפגרים לבין חיידקים ופטריות, הניזונים גם הם מאותו מקור. התחרות בין בעלי החיים אוכלי הנבלות לבין עצמם גלויה למדי לעין – אם אלו עופות, כמו העזנייה, שפתחו ראייה חדה על מנת לזהות ולהגיע אל הפגר ראשונים, או התחרות הישירה יותר בין תנים, צבועים ויונקים אחרים על השליטה במקור המזון.

ג'נסן הציע כי התחרות בין החיידקים לבעלי החיים נעשית תוך שימוש בכלי נשק אחרים: החיידקים מייצרים תרכובות הגורמות לבשר להירקב, כך שהוא הופך לבלתי-אכיל ואף רעיל לבעלי החיים. ריח הריקבון, שנובע גם הוא מתרכובות המיוצרות ע"י החיידקים, נועד להבהיר לאוכלי הנבלות שהפגר הזה כבר "תפוס": החיידקים תפסו עליו חזקה. אבל אם כך הדבר, מהם כלי הנשק של בעלי החיים בתחרות הזו? מה הם עושים על מנת להבטיח שהחיידקים לא ינצחו אותם במרוץ? התשובה היא שהם לרוב לא עושים שום דבר, מלבד להימנע מפגר שריחו מעיד עליו שיושב ע"י החיידקים.

הסיבה לכך היא שבעלי חיים יכולים ללכת ולחפש מקור מזון אחר, אבל אם החיידקים יפסידו את הפגר שבו הם נמצאים הם ימותו – כך שבמהלך האבולוציה, ה"מניע" של החיידקים לפתח כלים לניצחון במרוץ הזה היה חזק הרבה מזה של בעלי-החיים. כלומר, של רוב בעלי החיים – אבל ישנו לפחות בעל חיים אחד שיכולתו להתרבות תלויה במציאת פגר מתאים, ולכן המניע שלו להילחם בחיידקים חזק יותר. זוהי החיפושית הנקראת "הקברנית הטומנת" (Burying beetle, Nicrophorus vespilloide). החיפושית מטילה את ביציה על פגרים של יונקים קטנים, ומגדלת את הזחלים שבוקעים מהם – מאכילה אותם במזון מעוכל ומגינה עליהם ממתחרים או טורפים. ד"ר דניאל רוזן (Rozen) מאוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה וחוקרים נוספים, במאמר שפרסמו לאחרונה במגזין PNAS, בחנו את תיאוריית התחרות של ג'נסן – האם (וכיצד) נלחמת החיפושית בחיידקים?

חיפושית הזבל. זחליה ניזונים מהפגר

כצעד ראשון, בדקו החוקרים האם זחלי החיפושית והחיידקים אכן נמצאים בתחרות – האם לזחלים נגרם נזק מכך שהפגר שעליו הם גדלים מזין גם יצורים קטנים יותר. לצורך כך הם גדלו חלק מהזחלים על פגרים טריים של עכברים, וחלקם – על פגרים בני שבוע. החוקרים מעידים במאמרם כי הפגרים הישנים אכן יושבו ע"י חיידקים, שכן הם היו נפוחים ו"הפיקו ריחות מאוד בלתי-נעימים של ריקבון". התברר שהזחלים שגודלו על פגרים אלו היו קטנים יותר – גודל הזחל ידוע כמשפיע על סיכויי ההתרבות שלו בעתיד. בנוסף, הם בילו זמן רב יותר כשהם מבקשים אוכל מאימם, דבר המצביע על תזונה לקויה, וגם עזבו את הפגר מאוחר יותר מהזחלים שגודלו על פגרים טריים.

אם כך, הזחלים אכן ניזוקים מנוכחותם של החיידקים. מה עושות האמהות כדי לעזור להם? קודם כל, כאשר ניתנת להן ברירה, הן מעדיפות להטיל את ביציהן על הפגרים הטריים, בהם היו פחות חיידקים. באופן מפתיע, חיפושיות שחיפשו אוכל ולא מקום רבייה נמשכו בתחילה אל הפגרים הרקובים: ייתכן שהסיבה לכך היא סוגים שונים של חיידקים שנמצאים בפגר בשלבים שונים, והרעילות שלהם לחיפושית או לזחלים. מכל מקום, כאשר הן עמדו להטיל את ביציהן, הן בחרו באופציה הטובה יותר לגידול הזחלים.

גם כאשר החוקרים לא אפשרו לחיפושיות לבחור והכריחו אותן להטיל את ביציהן על פגרים רקובים, היו להן דרכים לשפר את מצבם של הזחלים. החיפושיות נוהגות לכסות את הפגר לפני ההטלה בהפרשות מיוחדות, שככל הנראה מכילות חומר הנלחם בחיידקים. עדיין לא ברור מה בדיוק יש בחומר הזה, אך מחקרים קודמים הראו כי פגרים שטופלו בחומר היו עמידים יותר לפטריות וחיידקים. החוקרים מצאו כי הטיפול האימהי מסוגל לפצות, לפחות במידה מסויימת, על מצבו הרקוב של הפגר – זחלים שגדלו על פגר רקוב שעבר טיפול היו גדולים יותר מאלו שגדלו על פגר רקוב שלא טופל. אם הפגר היה טרי, לא היה כל הבדל בין הקבוצות – עובדה שמחזקת את ההנחה שהטיפול נועד להילחם בחיידקים. כך מצליחות החיפושיות לדאוג לזחלים, גם אם הן מוצאות את עצמן בתנאים לא אידיאלים.

המחקר מציג דוגמה נדירה יחסית ליחסי אנטיביוזה – יחסים בין יצורים חיים בהם כל צד משקיע משאבים ומאמץ לא על מנת להיטיב עם עצמו, אלא כדי להזיק לצד השני. יחסים כאלו יכולים להתקיים רק כאשר המשאב הנמצא במוקד התחרות – במקרה זה, הפגר – חיוני לשני הצדדים באותה מידה. בנוסף, המחקר מראה שתחרות יכולה להתקיים בכל מקום בעולם החי – ושאין גבול למה שאנשים מסויימים מוכנים לעשות (ולהריח) למען המדע.

לקריאה נוספת

המאמר ב-PNAS

פורסם גם ב"הידען" 

ריפוי באור - יונת אשחר

תרפיה פוטודינמית - שיטה חדשה למלחמה בחיידקים

אור - חלופה לאנטיביוטיקה?

אחת המהפכות הגדולות ביותר ברפואה היתה גילוי הפניצילין - התרופה האנטיביוטית הראשונה. מאז ועד היום, אנטיביוטיקה היא אחד הכלים המרכזיים של הרפואה המודרנית, ומשמשת בהצלחה לטיפול במגוון מחלות חיידקיות. אבל דווקא ההצלחה העצומה של האנטיביוטיקה גורמת בשנים האחרונות להופעתם של יותר ויותר חיידקים העמידים בפניה - וחיידקים עמידים אלו הופכים במהירות לאחת הבעיות הקשות ביותר העומדות בפני הרפואה.

מדובר בברירה טבעית פשוטה - חיידקים מטבעם מתרבים במהירות, ובכל דור מופיעות מוטציות חדשות. כאשר חולה מטופל באנטיביוטיקה, החיידקים שרכשו במקרה מוטציה המקנה להם עמידות לאנטיביוטיקה זו, שורדים במהלך הטיפול ומתרבים, וכאשר הם מדביקים אנשים נוספים, הם גורמים למחלה שאי אפשר לעוצרה בעזרת סוג זה של אנטיביוטיקה. הבעיה חריפה במיוחד בבתי-החולים: במקומות אלו נמצאים חולים רבים, המטופלים בסוגים שונים של אנטיביוטיקה, ובאופן בלתי נמנע גם מדביקים לעתים זה את זה - וכך נוצרים בסופו של דבר חיידקים העמידים לכל-כך הרבה סוגים של תרופות, עד שכמעט בלתי אפשרי להתגבר עליהם.

במשך שנים, הדרך המקובלת להתמודד עם הבעיה היתה למצוא סוגי אנטיביוטיקה חדשים ויעילים יותר, אך גישה זו יצרה "מירוץ חימוש" שאי-אפשר לנצח בו - ובשנים האחרונות הגיעו לשוק פחות ופחות תרופות חדשות. ברור היה שנדרשות גישות חדשות, שאינן נסמכות על "עוד מאותו הדבר". בין הגישות השונות לפתרון הבעיה נמצאת גם התרפיה הפוטודינמית (photodynamic therapy).

במשך שנים, הדרך המקובלת להתמודד עם בעית העמידות לאנטיביוטיקה היתה למצוא סוגי אנטיביוטיקה חדשים ויעילים יותר, אך גישה זו יצרה "מירוץ חימוש" שאי-אפשר לנצח בו.

התרפיה הפוטודינמית כוללת שלושה מרכיבים: מולקולה שאינה מזיקה כשלעצמה, אך הופכת פעילה בתגובה לאור, ונקראת פוטוסנסיטייזר (photosensitizer); אור, שצריך להיות באורך הגל המתאים כדי לעורר תגובה בפוטוסנסיטייזר; וחמצן. הגורם ההורג את החיידקים בסופו של דבר אינו הפוטוסנסיטייזר, אלא דווקא החמצן: הפוטוסנסיטייזר מעורר תגובה כימית היוצרת ממולקולת החמצן גורם פעיל מאוד, הנקרא רדיקל, התוקף והורס מולקולות חיוניות לחיידקים. על הפוטוסנסיטייזרים להצטבר בתוך תא החיידק על מנת לחולל את התגובה הרצויה. האפשרות להקרין באור אזורים מסוימים, וכך להפעיל את התגובה רק באזור הרצוי, מקנה לטיפול ספציפיות מקומית.

העובדה שמולקולות מסוימות מסוגלות להרוג חיידקים כאשר הן נחשפות לאור נתגלתה כבר לפני יותר מ-100 שנה, אך, באורח אירוני משהו, המחקר בתחום זה נזנח בעקבות גילוי האנטיביוטיקה, שנראתה אז כשיטה קלה ויעילה הרבה יותר למלחמה בחיידקים. כאשר חזרה הרפואה להתעניין בתרפיה פוטודינמית, היה זה דווקא לצורך אחר: שיטה זו משמשת בהצלחה זה שנים בטיפול בכמה סוגי סרטן, מאחר שפוטוסנסיטייזרים מסוגלים לפגוע גם בתאים סרטניים. לאחרונה, בעקבות התגברות העמידות לאנטיביוטיקה, נערכו מחקרים חדשים הבודקים את יעילות התרפיה הפוטודינמית בתחום המקורי שבו התגלתה - טיפול אנטי-חיידקי.

הגורם ההורג את החיידקים אינו הפוטוסנסיטייזר, אלא החמצן: הפוטוסנסיטייזר מעורר תגובה כימית היוצרת רדיקל של חמצן, ההורס מולקולות חיוניות לחיידקים

פורפירינים: פתרון אפשרי לשתי הקבוצות העיקריות של החיידקים

פרופ' ישעיהו ניצן ממכון המחקר למדע רפואי באוניברסיטת בר-אילן חוקר זה שנים את יעילותם של פוטוסנסיטייזרים שונים בהריגת חיידקים. הפוטוסנסיטייזרים מתחלקים לשני סוגים - אנדוגנים, כלומר מולקולות שהחיידקים מייצרים בעצמם, ואקסוגנים, מולקולות המיוצרות באופן סינתטי וניתנות לחיידקים מבחוץ (כדי שיפעלו, עליהן להיכנס, בסופו של דבר, אל תוך תאי החיידקים). חיידקים רבים מייצרים ואוגרים כמויות גדולות של מולקולות מסוג פורפירין (Porphyrin), היכולות לשמש כפוטוסנסיטייזר. אלו הן מולקולות קטנות היוצרות קשרים עם יוני מתכות, והן מיוצרות לא רק בתאי חיידקים אלא גם בתאי גופנו. לדוגמה, קבוצת ההם (heme) היא סוג של פורפירין הקושר יון ברזל, והיא החלק הפעיל בחלבון המוגלובין, האחראי על העברת חמצן מהריאות לכל חלקי הגוף.

ישנם חיידקים המייצרים ואוגרים כמויות גדולות של פורפירינים, ולכן אפשר להילחם בהם בעזרת אור בלבד, בלא מתן חיצוני של פוטוסנסיטייזרים. סוג אחד של חיידק כזה הוא Propionibacterium acnes, המעורב במחלת העור אקנה. התרפיה הפוטודינמית מתאימה במיוחד לטיפול בנגעים של העור, שאותם קל יותר להקרין באור - אם כי אורכי גל מסוימים מסוגלים לחדור לעומק הרקמות. מן המחקר של ניצן עולה כי הקרנה של אור כחול, שאינו מזיק לתאי גופנו, מסוגלת להרוג חיידקים אלו - אך היעילות של שיטה זו נמוכה, ונדרשות שתיים או שלוש הקרנות על מנת לפגוע בחיידקים בצורה משמעותית. על מנת להגביר את יעילות הטיפול, ניסו החוקרים לגרום לחיידקים לייצר יותר פורפירינים, וכך להגביר את רגישותם לאור. הסתבר שהגורם המגביל את ייצור הפורפירינים בחיידק הוא הכמות הזמינה של תוצר ביניים בתהליך הייצור, מולקולה המכונה amino-levulinic acid (ALA). החיידקים הופכים את ה-ALA, שבעצמה אינה מגיבה לאור ואינה מזיקה לחיידקים, לפורפירינים - וככל שיש יותר ALA, כך הם מייצרים יותר פורפירינים. ואמנם, לאחר שהחיידקים קיבלו ALA, רגישותם לאור עלתה והקרנה יחידה באור כחול גרמה לירידה משמעותית ביותר - בכמה סדרי גודל - בכמות החיידקים החיים.

אם ממילא על החיידקים לקבל חומר נוסף על מנת שהתרפיה הפוטודינמית תהיה יעילה, האם לא מוטב פשוט לתת להם פוטוסנסיטייזרים חיצוניים - הידועים למדע כבר עשרות שנים? מסתבר שלא תמיד. המדענים מחלקים את החיידקים לשני סוגים עיקריים: גראם-חיוביים וגראם-שליליים, על שם היכולת (או חוסר היכולת) שלהם להיצבע בצביעה מיוחדת הקרויה על שמו של הבקטריולוג הדני הנס כריסטיאן גראם (Gram). אחד ההבדלים העיקריים ביניהם הוא מספר הממברנות המקיפות את התא. כל תא חי - אם חיידק ואם תא של בעל-חיים או צמח - מוקף בקרום המבדיל אותו מהסביבה, ונקרא ממברנת התא. בעוד שלחיידקים הגראם-חיוביים יש ממברנה אחת, לחיידקים הגראם-שליליים יש מבנה מסובך הרבה יותר, הכולל שתי ממברנות. מבנה זה מהווה מחסום הדוק יותר, המקשה את מעברן של מולקולות לתוך החיידק. זאת הסיבה לכך שרוב הפוטוסנסיטייזרים הקלאסיים אינם פוגעים באופן משמעותי בחיידקים גראם-שליליים. בין השיטות שנוסו עד כה לפתירת הבעיה הזאת היו ניסיונות לפגוע בשלמות הממברנות, כך שהפוטוסנסיטייזרים יוכלו לעבור דרכן, ושימוש בפוטוסנסיטייזרים מסוג שונה, המסוגלים - לפחות במידה מסוימת - להיכנס לתאי החיידקים האלו.

מולקולות ה-ALA, המסוגלות להיכנס לתאי חיידקים משתי הקבוצות, יכולות להוות שיטה נוספת: ממחקריו של ניצן מתברר כי ALA מעלה את רמת הפורפירינים במינים שונים של חיידקים, השייכים לשתי הקבוצות. אך העלאה של רמות הפורפירינים, מסתבר, אינה מבטיחה בהכרח עלייה משמעותית ברגישות לאור, כזו המתרחשת כאמור במין הגראם-חיובי Propionibacterium acnes. לאחר שנקבע כי רמות הפורפירינים עלו בכל מיני החיידקים, הם הוקרנו באור כחול. בעוד שאחד ממיני החיידקים, שהוא גראם-חיובי, ניזוק מאוד מההקרנה עד לחיסול כמעט מוחלט של החיידקים, חמישה מינים של חיידקים גראם-שליליים נפגעו מאותה הקרנה בצורה קלה הרבה יותר, והיו מסוגלים להתאושש במהירות - כך שהשיטה לא תוכל להיות יעילה כטיפול בחולים.

מה גורם להבדל זה בין המינים השונים של החיידקים? החוקרים מצאו כי בעוד שרמת הפורפירינים היתה דומה בכל מיני החיידקים, סוג הפורפירינים היה שונה. עדיין לא לגמרי ברור מדוע פורפירינים שונים מגיבים בצורה שונה כל-כך לאור - על הנייר, כל המולקולות האלו אמורות לפעול כפוטוסנסיטייזרים - וכן, מדוע חיידקים שונים מייצרים פורפירינים שונים. אם תימצא דרך, אולי בעזרת מולקולה שונה מ-ALA, לאלץ את כל מיני החיידקים לייצר את הסוג ה"נכון" של הפורפירינים, התרפיה הפוטודינמית תוכל להיות יעילה הרבה יותר - והמחקר בכיוון זה נמשך.

מהו היעד הנפגע בתהליך?

במעבדתו של ניצן חוקרים לא רק עד כמה הפוטוסנסיטייזרים פעילים, אלא גם כיצד הם פועלים. דרך פעילותם של הפוטוסנסיטייזרים הפוגעים בחיידקים גראם-חיוביים כבר היתה ברורה למדי, והיא כוללת הרס של החומר הגנטי ושל דופן התא - מבנה המקנה יציבות לתא החיידקי. לעומתם, דרך הפעולה של הפוטוסנסיטייזרים הפוגעים בחיידקים גראם-שליליים לא היתה כה ברורה. החוקרים בדקו ארבע קבוצות מולקולות העשויות להיפגע מהפוטוסנסיטיזציה: RNA, DNA, חלבונים הנמצאים בתוך התא וחלבונים השוכנים על פני הממברנה או בתוכה. כדי לבדוק את מצבם של החלבונים הנמצאים בתוך התא, השתמשו החוקרים בחיידקים המייצרים חלבון מיוחד, Green fluorecent protein - GFP, זוהר בצבע ירוק כאשר מקרינים עליו אור. כדי לבדוק את חלבוני הממברנה, עקבו החוקרים אחר פעילותו של חלבון חשוב הקיים בכל החיידקים, ואחראי על העברה של יונים אל תוך התא ומתוכו החוצה - אפשר לעקוב בקלות אחרי תנועת היונים, וכך לדעת אם חלבונים אלה נפגעו.

התברר כי מולקולות מכל ארבע הקבוצות אכן נפגעו מהטיפול, אך לא באותה מידה - מסתבר שהנזק העיקרי היה ל-DNA, ולא לחלבונים. אך עדיין חשוב לברר איזה סוג של DNA נפגע. הגנום של החיידקים מורכב ממולקולת DNA גדולה אחת, אך לרבים מהם יש גם מולקולות DNA נוספות, קטנות הרבה יותר, הנקראות פלסמידים. פלסמידים גם הם מכילים גנים, ויכולים לעבור מחיידק לחיידק. גנים המקנים עמידויות לאנטיביוטיקה נמצאים לעתים קרובות על פלסמידים כאלו, וכך יכולים להתפשט במהירות באוכלוסיית החיידקים ("התפשטות רוחבית"). החוקרים גילו כי DNA פלסמידי נפגע פחות מ-DNA חיידקי, אך גם הוא נפגע - ופגיעה בו יכולה לגרום לאיבוד העמידות לאנטיביוטיקה, אפילו אם החיידק עצמו מצליח לשרוד. אם כך, ייתכן כי שילוב של תרפיה פוטודינמית ואנטיביוטיקה יוכלו להוות טיפול יעיל במיוחד נגד חיידקים כאלו.

מחקרים מסוג זה, הנחשבים מחקרים "טהורים" ועוסקים לא בתכונות הריפוי של שיטה כלשהי אלא בדרך פעולתה, יכולים בסופו של דבר להביא לפיתוח ולשכלול של שיטות חדשניות ומתקדמות לבעיות הגדולות של הרפואה המודרנית. 

פורסם ב"גליליאו" גיליון 121, עמ' 55-52, ספטמבר 2008.

החיידקים של פאבלוב - נעם לויתן ודינה וולודרסקי

הפיזיולוג הרוסי איוון פאבלוב (Pavlov) מוכר כיום לכל אדם בזכות כלביו, שאותם לימד לקשר בין צלצול פעמון להופעת מזון. בניסויו המפורסם, פאבלוב - ששם לב כי הכלבים הזילו ריר כשקיבלו מזון - הגיש אוכל לכלביו בליווי צלצול פעמון. לבסוף - לאחר כמה חזרות - צלצול הפעמון לבדו, בלא הגשת המזון, גרם לכלבים לרייר בציפייה לאוכל. מחקר חדש, שפורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Science, מראה שגם חיידקים מסוגלים ללמוד התנהגות דומה.

חיידקים המסוגלים ללמוד לקשר בין אות כלשהו למאורע עתידי יכולים להגיב למאורע מראש, עוד לפני שהוא מתרחש, וכך להשיג יתרון על פני אורגניזמים אחרים שאינם מסוגלים לעשות זאת, ורק מתאימים את עצמם לתנאים הקיימים בפועל. על מנת לבדוק אם מערכת פשוטה כחיידק אכן יכולה לפתח תגובות מורכבות כאלה, החוקרים, בראשות סעיד טאבאזואי (Tavazoie) ממכון לואיס-סיגלר לגנומיקה רב-תחומית באוניברסיטת פרינסטון בניו ג׳רזי, פיתחו מודל ממוחשב בשם Evolution in Variable Environment) EVE). במודל זה, חיידקים וירטואליים התפתחו בסביבה וירטואלית משתנה. החיידקים הווירטואליים הפיקו יותר "אנרגיה" - וכך השיגו יתרון על פני חיידקים אחרים - אם הצליחו "ללמוד" לקשר בין אותות מסוימים, שקדמו להופעת מזון, לבין הופעת המזון. המודל הראה שאפילו כאשר הקשר בין האותות והופעת המזון היה מורכב ביותר, התפתחו אוכלוסיות חיידקים וירטואליים המסוגלות להגיב לקשר זה.

צבר של חיידקי E. coli
Eric Erbe, digital colorization by Christopher Pooley, both of USDA, ARS, EMU

לאחר שהמודל הממוחשב הראה, כי אכן חיידקים מסוגלים לפתח יכולת לצפות אירועים מראש, פנו החוקרים לחיידק Escherichia coli על מנת לראות אם גם חיידקים ממשיים מסוגלים ללמוד. החוקרים שיערו, שמאחר שטמפרטורת הסביבה של E. coli עולה כאשר הוא מוצא את עצמו בלוע האדם - למשל על גבי קציץ בשר או פיתה עם חומוס - בטרם יעבור לסביבה חסרת החמצן שבמערכת העיכול, החיידק יכול, אם הוא אמנם ניחן ביכולת למידה, להשתמש בעליית הטמפרטורה כאות לשינוי המתקרב ברמת החמצן. ואכן, כאשר העלו את טמפרטורת הסביבה של חיידקי E coli שגודלו בצלחות פטרי, הם שינו את המטבוליזם שלהם כך שיותאם לסביבה אל-אווירנית, אפילו כאשר לא הועברו לסביבה חסרת חמצן.

כדי לבדוק אם תגובת החיידקים לטמפרטורה אכן נובעת מלמידת הקשר בין עליית הטמפרטורה לירידה ברמת החמצן הזמין, בדקו החוקרים אם אפשר לגרום לחיידקים להגיב בצורה שונה. כלומר, האם אפשר להכחיד את הקשר שלמדו. טאבאזואי ועמיתיו גידלו חיידקי E. coli בסביבה שבה הקשר בין שינויי הטמפרטורה ורמת החמצן הוא הפוך למצב הטבעי שבו התפתחו החיידקים. בסביבה זו, אימנו החוקרים את החיידקים לכך שרמת החמצן עולה לאחר עלייה בטמפרטורה, ולא להפך. במהרה, לאחר פחות ממאה דורות, נבררו חיידקים שלמדו לא להפעיל תגובות המתאימות לסביבה אל-אווירנית בעקבות עליית הטמפרטורה, דהיינו, הם למדו לשבור את הקשר ולא "ציפו" עוד לירידה ברמת החמצן.

עד מחקר זה היה מקובל לחשוב, כי חיידקים פשוט מגיבים לגירויי סביבה הקיימים בפועל - בדומה לרעד שאנו חווים בעקבות קור. עכשיו, לעומת זאת, נראה כי אפילו חיידקים מסוגלים להגיב לאותות מהסביבה בצורה מורכבת, המאפשרת להם לחזות מה יקרה בהמשך ולהיערך בהתאם - בדומה, למשל, ליכולתנו להחליט לקחת מטרייה כי בחוץ מעונן.

טאבאזואי מדגיש כי החיידקים, כמובן, אינם לומדים באותה צורה שבה כלב, או אדם, לומדים. למידה והיכולת לקשר בין אות כלשהו למאורע עתידי מתרחשת באדם ובכלב במהלך חיי הפרט, תוך שינויים בחיווט תאי העצב במוח. בחיידקים, הלמידה מתרחשת במהלך הדורות, בעקבות ברירה אבולוציונית, תוך שינויים בקשרים בין רשתות של גנים שונים.

על סמך תוצאות המחקר, המצביעות על יכולת של חיידקים לחזות אירועים, אפשר לנסות להבין את התנהגותם של חיידקים פתוגניים שונים, העשויים להשתמש באותות מהסביבה על מנת להפעיל תגובת מנע שתגן עליהם ממערכת החיסון או מאנטיביוטיקה. בעזרת הבנה לעומק של יכולת הלמידה של חיידקים, נוכל ללמוד לצפות את התנהגותם וכך להילחם בהם ביתר קלות או להשתמש בהם ביתר יעילות.

לקריאה נוספת

המאמר המקורי [PDF]:

Tagkopoulos, I., Liu, Y. C. & Tavazoie, S. Predictive behavior within microbial genetic networks. Science, 320, 1313-1317 (2008). doi: 10.1126/science.1154456

"חיידקים מסוגלים לזהות שינויים עתידיים – ולהתכונן אליהם" - במגזין מכון ויצמן 

נמצא גם ב"תבת נוח - מחשבות ביולוגיות" - הבלוג של ד"ר נעם לוויתן

פורסם ב"גליליאו" גיליון 119, יולי 2008.

הקשר בין חצבת לסרטן - דינה וולודרסקי ונעם לויתן

ממצאים אחרונים מעידים על קשר אפשרי בין נגיף החצבת לסרטן

עישון סיגריות הוא גורם מרכזי לסרטן ריאות, ואולם ממצאים אחרונים מראים כי נגיף החצבת עשוי אף הוא להיות מעורב בהתמרה הסרטנית ולהאיץ את תהליך המחלה.

פרופ' שמואל אריעד (Ariad), מנהל המכון לאונקולוגיה במרכז הרפואי האוניברסיטאי סורוקה, ועמיתיו ערכו מחקר רטרוספקטיבי שבו נבדקו רקמות שמקורן בביופסיה של גידולים מ-65 חולי סרטן ריאות.

במחצית הדגימות נמצאו חלבונים של נגיף החצבת. זהו הממצא הראשון המעיד על קשר אפשרי בין נגיף החצבת לבין סרטן, ממצא מעניין במיוחד נוכח מגפת החצבת הנוכחית בישראל. אריעד הציג את התוצאות בכנס האירופי בג'נבה שעסק בסרטן ריאות. בכנס הוצגו עדויות נוספות של חוקרים אחרים, המדווחים על כך שנגיף החצבת קשור לסרטן הריאות, אם כי לא הוצגה הוכחה שהנגיף הוא שגורם לסרטן.

המקור - Yale Rosen, Flicker

ארש רזזדה (Rezazadeh) מאוניברסיטת לואיסוויל בקנטקי, ארצות-הברית, הציג בכנס את ממצאיו, שלפיהם נגיף הפפילומה (HPV), המוכר כמחולל סרטן צוואר הרחם (וראו: דינה וולודרסקי, "חיסון נגד סרטן", "גליליאו 115), זוהה אף הוא בסרטן הריאה.

נגיף החצבת הוא נגיף RNA, ולכן לא סביר שהמנגנון הקשור להתמרה הסרטנית הוא התמזגות של החומר התורשתי הנגיפי בגנום של התא. אריעד משער כי תאים סרטניים מבטאים קולטן מסוים, שנגיף החצבת עושה בו שימוש על מנת לחדור לתא. על פי השערתו של אריעד, חלבון נגיפי הקרוי MV-phosphoprotein – measles virus phosphoprotein משפיע בעקיפין על חלבון תאי המכונה P53 (חלבון מרכזי בהגנה על התא מפני התמרה סרטנית), וגורם להרס שלו, כך שהתא נעשה מוּעד לנזקים. אריעד סבור כי הנגיף איננו גורם לסרטן, אך מאיץ תהליכים סרטניים שכבר החלו.

המחקר מעלה כמה שאלות חשובות: האם החיסון נגד חצבת (החיסון נעשה באמצעות נגיף מוחלש) משפיע על התהליך, וכיצד? האם החיסון החדש נגד סרטן צוואר הרחם ישפיע גם על סרטן ריאות וסוגי סרטן נוספים? והאם למגפת החצבת הנוכחית תהיינה השלכות על שיעורי התחלואה בסרטן בעתיד?

התשובות לשאלות אלה טרם נמצאו, אך אפשר אולי להתנחם בעובדה שגם בעקבות התפרצות מגפת חצבת בשנת 1982 לא חלה עלייה מהותית בשעורי התחלואה בסרטן הריאה בישראל.

חשוב לציין גם, כי מכיוון שהמחקר הוא מחקר רטרוספקטיבי ונעשה על ביופסיות, לא היתה אפשרות טכנית לבדוק באיזה זן ספציפי של נגיף מדובר, שכן על מנת לבדוק זאת יש צורך ב-RNA של הנגיף, שאותו אפשר להפיק רק מרקמה טרייה. לשם כך יהיה צורך בביצוע מחקר נוסף.

מדובר, אם כן, בממצא חדשני וחשוב, שהשלכותיו המדויקות טרם ברורות לחוקרים.

פורסם ב"גליליאו" 118, יוני 2008 

נגיף ההרפס הרדום - דינה וולודרסקי

אנשים רבים "זוכים" לחוות מפעם לפעם פצעים מכאיבים המופיעים על שפתותיהם, פצעים המאפיינים הדבקה בנגיף ההרפס (Herpes Simplex Virus 1, HSV1). גם כשהפצעים הללו נעלמים, הנגיף עצמו אינו נעלם מהגוף. במשך רוב הזמן, הנגיף מצוי בגופנו בלא תסמינים כלשהם, כלומר, במצב "נשאות". מעל תשעים אחוז מהאוכלוסייה נושאים את הנגיף,

ובדיקה פשוטה יכולה לאבחן את קיומו של הנגיף בגוף על פי הימצאות נוגדנים בדם. כאשר הנגיף מתפרץ, הדבר מתבטא, בדרך-כלל, בשלפוחיות המכונות לעתים "פצעי קור" באזור השפה התחתונה או בחלקים אחרים של הפנים.

פצעי הרפס על השפתיים

המקור: CDC/ Dr. Herrmann

פצעי הרפס על הלשון

המקור: CDC/ Robert E. Sumpter

קרוב משפחה של HSV1, נגיף המכונה HSV2, נחבא גם הוא אל הכלים, ובהתפרצותו גורם לפצעים מכאיבים באזור איברי המין, המחלה המוכרת כ"הרפס של איברי המין".

ההדבקה בנגיפים אלו מתרחשת באמצעות מגע של רוק (HSV1) או קיום יחסי מין עם נושא הנגיף (HSV2). לרוב, כאשר הפצעים פתוחים האדם מידבק יותר, אך יש הוכחות שגם התקופות הרדומות של הנגיף אינן בטוחות מהדבקה. מחקרים הראו שהסיכויים למעבר של נגיף ה-HSV2 מאם לעובּר במהלך ההיריון נמוכים מאוד, אך התינוק עלול להידבק בנגיף במהלך הלידה עצמה. על כן, כאשר יש פצעים פתוחים באזור איברי המין, ניתוח קיסרי עדיף על פני לידה טבעית, שכן היילוד עלול למות או ללקות בפיגור אם יידבק בנגיף.

המילה "נגיף" מעוררת אסוציאציה של מחלה. ואכן, נגיפים הם גופיפים הפולשים לתוך תאים אחרים על מנת לעשות בהם שימוש, ובמקרים רבים גורמים למחלות. למעשה, נגיפים הם "טפילים בהכרח" (אובליגטוריים), קרי, טפילים שאינם יכולים להתרבות בלא פונדקאי חי. מבנה הנגיף כולל מולקולות של חומצת גרעין (DNA או RNA, אך לא שתיהן גם יחד) שהן החומר התורשתי של הנגיף. החומר התורשתי עטוף במעטפת חלבונית הקרויה "ַקפְּסיד", ולעתים גם במעטפת ליפידית. אורך הנגיפים הוא בין עשרה ננומטרים (ננומטר הוא מיליארדית המטר, 10^-9 מטר) לחמישים ננומטר. לשם ההשוואה נציין כי תאים איקריוטיים, דוגמת תאי אדם, גדולים באורכם פי 1,000 ויותר.

עד המאה ה-20 חשבו המדענים שנגיפים אינם אלא רעלנים הנוצרים על-ידי חיידקים, ומכאן השם virus, שפירושו בלטינית "רעלן". בהמשך הצטברו עדויות לכך שנגיפים אינם תוצר של חיידקים, אלא חלקיקים נפרדים.

נגיף ההרפס הוא הנגיף הראשון שבודד בתרביות רקמה. משפחת נגיפי ההרפס היא משפחה של נגיפי DNA גדולים (יחסית, כמובן), הנפוצים מאוד בטבע ומדביקים מגוון של בעלי-חיים. שניים מהנגיפים השייכים לקבוצה זו הם נגיף אפשטיין-בר (Epstein-Barr), האחראי ל"מחלת הנשיקה", ו-varicella zoster, הגורם לאבעבועות רוח.

באדם החולה באבעבועות רוח, גם כאשר הסימפטומים של המחלה חולפים, הנגיף נשאר רדום בגוף, ועלול לשוב ולהתפרץ במצבים של חולשת המערכת החיסונית בצורת דלקת עָצב מקומית וחריפה. ההתפרצות השנייה קרויה"שלבקת חוגרת", ותסמיניה הם כאבים והופעת שלפוחיות לאורך אחד העצבים באזור מוגבל בעור בצד אחד של הגוף (השלפוחיות מסודרות במבנה דמוי-חגורה, ומכאן שם המחלה). השלבקת מופיעה באזורי גוף שונים — בחזה,בגב, בבטן, בראש, בפנים ובגפיים — והכאב המקומי עלול להימשך זמן ארוך (לעתים במשך שנים!) לאחר הופעת השלפוחיות. אדם שנחשף לשלבקת חוגרת ולא חלה בעברו באבעבועות רוח עלול לחלות באבעבועות רוח.

שלבקת חוגרת על זרוע של ילד
צילום: James Heilman, MD, wikimedia commons

ִהגורם לסרקומה על שם קפוֹשׂי (Kaposi's Sarcoma, מחלה סרטנית נדירה ברקמות שמתחת לעור או בבלוטות הלימפה) הוא HSV8, ולוקים בה בעיקר חולי איידס, שמערכת החיסון שלהם מוחלשת. נגיף ה-CMV) Cytomegalovirus), גם הוא ממשפחת ההרפס, עלול לגרום לצהבת בתינוקות ולסיבוכים (כגון פגיעה בראייה עד כדי עיוורון) בחולי איידס. העברת נגיף ה-CMV מהאם לעובר במהלך ההיריון מתרחשת בעיקר כאשר האם נדבקה לראשונה בזמן ההיריון. הנגיף עלול

לגרום למומים בעובר (חירשות בשל נזק לעצבי השמיעה, פגיעה שכלית, שיתוק מוחין ופגיעה בראייה).

במאמר זה נתמקד בשני נגיפים ממשפחת ההרפס: HSV1, הגורם כזכור לפצעים בשפתיים, ו-HSV2, הגורם כאמור לפצעים באיברי המין.

הגנום של HSV1 מכיל כ-100 גנים. כאשר מתרחשת הדבקה, ה-DNA הנגיפי שחדר לתא משתכפל, ונוצרות מולקולות DNA נגיפי חדשות, הנעטפות במעטפותחדשות. לאחר מכן מתים התאים המאכסנים את הנגיף, ומשתחררים הנגיפים החדשים. מחזור הדבקה כזה מכונה שלב ליטי (מלשון lysis, פירוק), והוא אופייני לנגיפים רבים. בין שלבים ליטיים נגיף ההרפס יכול להיכנס לתקופה רדומה — השלב הלטנטי.

האם הרפס הוא בר-ריפוי?

במשך שנים רבות סברו, שאין מרפא למחלות נגיפיות בכלל ולהרפס בפרט. בשנת 1988 זכו גרטרוד אליון (Elion) וג'ורג' היטצ'ינגס (Hitchings) בפרס נובל ברפואה על פיתוח התרופה אציקלוויר (Acyclovir, המוכרת בשמה המסחרי זובירקס). אציקלוויר היתה התרופה הראשונה שהוכחה באופן מדעי כבטוחה וכיעילה לשימוש כנגד נגיפי ההרפס. החומר מעכב את פעולת האנזים האחראי לשכפול ה-DNA הנגיפי, בלא פגיעה בשכפול ה-DNA של האדם. השימוש באציקלוויר ובנגזרותיה יעיל כנגד נגיפים הנמצאים בשלב הליטי בלבד, מאחר שה-DNA הנגיפי משתכפל רק כאשר הנגיף מתרבה. התרופה, אם כן, מטפלת באופן מקומי בסימפטום, אך אינה מסלקת את הנגיף מהגוף. לפיכך, מחקרים רבים מתמקדים ביכולתו של הנגיף להיכנס למצב רדום (latency), בתקווה שפגיעה ביכולת זו תמנע את ההתפרצויות החוזרות ונשנות של המחלה.

התקופה הרדומה של נגיף ההרפס

לאחר ההדבקה הראשונית, הנגיף (הן HSV1 והן HSV2) נשאר בגוף בצורה שקטה, בלא סימפטומים, ויכול לעבור הפעלה כתוצאה מתנאים שונים, כגון עקה נפשית, חולשה של מערכת החיסון, טמפרטורת גוף גבוהה, שינויים הורמונליים, חשיפה ל-UV ועוד.

בתקופה הרדומה הנגיף מתאכסן בגנגליונים (צבירים של תאי עצב במערכת העצבים ההיקפית) המעצבבים את אתר ההדבקה הראשוני. השאלה כיצד מצליח הנגיף להסתתר מפני מערכת החיסון נותרה בלא מענה שנים רבות.

בתקופה הרדומה משועתק גן יחיד, הקרוי LatencyAssociated Transcript  או בקצרה .LAT. תעתיק ה-RNA של הגן LAT אינו מקודד ליצירת חלבון (בניגוד לרוב תעתיקי הגנים). מקטע RNA זה מצטבר בתאי העצב התחושתיים ההיקפיים. מחקרים רבים נערכו במטרה להבהיר את תפקידו של LAT במחזור ההדבקה של הנגיף. ביולי 2006 התפרסם בשבועון המדע Nature מאמר שבו הציגו נייג'ל פרייזר (Fraser) מאוניברסיטת פנסילבניה בפילדלפיה ועמיתיו עדויות לכך, שתעתיק הגן LAT מונע מתאי העצב המודבקים למות בעקבות ההדבקה, כלומר, מונע אפופטוזה; אפופטוזה, כידוע, היא תהליך שבו תאים מודבקים בגורמים מזהמים או תאי סרטן מתים במסלול מתוכנת-גנטית. מוות מתוכנת-גנטית כזה מונע הדבקה או נזק לתאים נוספים בגוף. החוקרים הראו כי חוסר היכולת ליצור תעתיק מהגן LAT פוגם ביכולתו של HSV1 להדביק תאי עצב באופן לטנטי. יתרה מזו, HSV1 מוטנטי, שאינו יוצר את תעתיק הגן LAT, גרם למוות של מספר רב יותר של תאי עצב מאשר הנגיף הרגיל ("זן הבר"). כלומר, בלא LAT פחות תאי עצב מודבקים שורדים, ופחות נגיפים נשארים במצב הרדום. החוקרים העלו השערה, כי במהלך התקופה הלטנטית מתרחשים בפְּרוֹמוֹטוֹר (לאמור, באזור בקרת השעתוק) של הגן LAT ֶ שינויים אפּיגנטיים. הכוונה לשינויים שאינם ברצף הנוקלאוטידים עצמו, אלא בעיבודים השונים שהרצף עובר, כגון רמת הדחיסה שלו.

מה, אם כן, יכול להיות תפקידו של LAT? העובדה שתעתיק ה-RNA אינו מתורגם לחלבון רמזה על האפשרות, שמדובר ב-microRNA הפועל להשתקת גנים אחרים. תופעת ה-microRNA, שחשיבותה ידועה זה כבר ביצורים עילאיים, התגלתה לאחרונה בנגיפים. microRNAs הם מולקולות RNA קצרות, המעורבות בעיקר בבקרה ברמת התרגום של מולקולות mRNA שהן יכולות לעבור עמן זיווג בסיסים (וראו: צחי ארזי וידידיה גפני, "להרוג את השליח — השתקת גנים ויישומיה","גליליאו" 104).

תעתיק הגן LAT יכול לפעול כ-microRNA הן על הגנום הנגיפי והן על גנום המאכסן. חיפוש הגנים המשמשים כמטרה של microRNA אינו פשוט, כיוון שההתאמה ברצף בינם לבין ה-mRNA של גן המטרה אינה מושלמת, ולפיכך ישנם רצפים רבים היכולים לשמש כמטרה ל-microRNA מסוים. על מנת להקל את חיפוש הגנים שאותם משתק הנגיף באמצעות LAT, התמקדו החוקרים בגנים בעלי תפקוד מתאים, כלומר גנים שהשתקתם תסייע לנגיף להסתתר בגוף במצב לטנטי. בעיקר חשודים הגנים האפּוֹפְּטוֹטיים (האחראים למוות מתוכנת של תאים) בגנום האדם, שכן, כאמור, במהלך התקופה הלטנטית, הנגיף מונֵע אפופטוזה של תאי העצב המודבקים. ואכן, כאשר החליפו פרייזר ועמיתיו את LAT בגן אחר, הידוע ביכולתו לעכב אפופטוזה, גן זה מילא את תפקידו של LAT בהצלחה רבה.

המורכבות הרבה הכרוכה בשלב ליטי, בכניסה לשלב לטנטי ובהפעלה מחדש מצביעה על אפשרות סבירה שלגן LAT כמה תפקידים (שטרם פוענחו) התורמים באופנים שונים ליכולתו של הנגיף להיכנס לשלב הלטנטי ולצאת ממנו.

לסיכום, נגיף ה-HSV מדביק אותנו, סולל את דרכו לתאי עצב תחושתיים המעצבבים את אזור הפָּנים או איברי המין וגורם להופעת פצעים מכאיבים. הדבקה זו מעוררת את מערכת החיסון שלנו, המשמידה חלק מהתאים הפגועים. לעומת זאת, מערכת החיסון אינה מזהה תאים שהנגיף נמצא בהם בשלב הלטנטי. מפעם לפעם, נגיף עובר משלב לטנטי לשלב ליטי וגורם להרג של תא העצב. התפרצויות אלה מלוות בהפעלה מחדש של מערכת החיסון. גן ה-LAT תורם לכך שתאי עצב המודבקים באופן לטנטי יהיו בעלי סיכויים גבוהים יותר לשרוד. תאי עצב אלה אינם מייצרים חלבונים נגיפיים, ולפיכך מערכת החיסון של המאכסן מתקשה לזהותם. במקום חלבונים מייצרים תאי העצב את ה-LAT microRNA, התורם ל"ביטחונו" של הנגיף על-ידי יצירת מקום מקלט ממערכת החיסון של האדם.

אם LAT הוא אכן microRNA הפועל להשתקת גנים אחרים, הרי שזו דוגמה לכך שגם בנגיפים יש microRNAs

הפועלים באופן דומה לאלה של יונקים, צמחים ותולעים — כלומר, משתיקים גנים אחרים.

הנגיף המסתתר פרופ׳ ישראל שטיינר, אתה חוקר ורופא מומחה למחלות שגורמים נגיפי ההרפס. מהי שכיחות הנשאים של HSV1 וHSV2- באוכלוסייה? HSV1 נפוץ מאוד, 95%-90% מהאוכלוסייה נושאים אותו. לעומת זאת, לגבי HSV2 התמונה פחות חד-משמעית. והמספרים משתנים בהתאם לחברה שבה מדובר. בארץ אחוזי הנשאים של HSV2 נמוכים יחסית, 40%-20%. בצפון אמריקה מדובר במספרים גבוהים יותר. 60% ויותר. מבחינה אפידמיולוגיה, בשנות התשעים היתה עלייה בתחלואה כתוצאה מ־HSV2. עליה זו נבלמה בשנות האלפיים. לעומת זאת, אין שינויים משמעותיים בתחלואה כתוצאה מ־HSV1 לאורך השנים. הנגיפים HSV2-1 HSV1 שייכים לאותה המשפחה, ויש ביניהם דמיון רב. האם נשאות של נגיף מסוג HSV1 מהווה חיסון בפני הדבקה ב-HSV2, ולהפך? אמנם יש דמיון בנוגדנים המתפתחים בגוף כנגד שני סוגי הנגיפים. אך הדבקה בסוג האחד אינה מחסנת בפני הסוג האחר, ובהחלט ישנם אנשים המודבקים בשני סוגי הנגיף. כלומר, אדם שסיכל מהתפרצויות של הנגיף באזור השפה. איננו חסין מפני הדבקה באיברי המין. ולהפך.  האם חשיפה לנגיף יכולה לגרום להתפרצות או להוות סכנה כלשהי לאדם שכבר נושא את הנגיף? לא. לאדם שכבר נושא בגופו את הנגיף אין נשקפת סכנה בעקבות חשיפה נוספת. בדרך-כלל ההדבקה מתרחשת כאשר אדם שאינו נושא את הנגיף בא במגע עם אדם הסובל מהתפרצות מחודשת של הנגיף. האם גירויים מכניים, כגון טיפול קוסמטי, עלולים לגרום להתפרצות מחודשת של הנגיף? בהחלט, ידועים מקרים של ניתוחי פנים, טיפולי שיניים וניתוחים נוירוכירורגיים שגרמו להתפרצות מחודשת. מהם, לדעתך, אמצעי הזהירות שיש לנקוט בלידה כאשר האם נושאת את נגיף ההרפס מסוג HSV2? זוהי שאלה פתוחה, שאין עליה תשובה חד-משמעית. נגיף ההרפס עלול לגרום נזק קשה ליילוד, ולפיכך המלצתי היא על ניתוח קיסרי בכל מקרה של התפרצות שלפוחיות הרפס באיברי המין בעברה של היולדת (כלומר, אפילו כאשר לא היו התפרצויות בסמוך ללידה או במהלך ההיריון). מחקרים רבים עסקו לאחרונה ביכולת של נגיפי ה־HSV להיכנס למצב רדום, ואף פוענח המנגנון המאפשר את  הקיום הלטנטי של הנגיף. האם לטנטיות זו של נגיפי ה-HSV שונה במהותה מזו הקיימת בנגיפים אחרים? בהחלט קיימים הבדלים רבים. נגיף אחר ממשפחת ההרפס, Varicella zoster הגורם לאבעבועות רוח בילדות ולמחלת השלבקת החוגרת אם הוא מתפרץ שוב לאחר שנים, נשאר אף הוא רדום בגופנו. ואולם, בעוד HSV גורם למחלה מצומצמת יותר וההתפרצויות הן בתדירות גבוהה יחסית (פעם בחודש עד פעם בשנים אחדות), השלבקת החוגרת מתפרצת בדרך כלל באנשים קשישים וההתפרצויות הן נדירות מאוד, בדרך־כלל פעם או פעמיים בלבד במהלך החיים. מבחינת המנגנון המאפשר את הכניסה למצב רדום ב-HSV התברר שמעורב בו ה-microRNA של הגן LAT, ואילו לגבי Varicella zoster טרם פוענח המנגנון המאפשר את המצב הלטנטי. במחקרים שונים מוזכר HIV כנגיף המסוגל להיכנס למצב רדום. אך למעשה נגיף זה איננו מתאים להגדרה הקלאסית של ״נגיף לטנטי״, משום שהוא מקיים מחזור רבייה מלא, אלא שקצב ההתרבות הוא אטי. האם תופעת הלטנטיות מעידה על כשל חיסוני? ביחס להרפס סימפלקס, מערכת החיסון אינה יעילה כנגד הנגיף, משום שהנגיף אינו יוצא מתוך התא המודבק (הנגיף נודד לאורך האקסון של תא העצב עד מקום ההתפרצות בעור. ואינו חשוף למערכת החיסון). התפרצות מחודשת של הרפס סימפלקס אינה מהווה כשל חיסוני. למעט המקרה של מושתלי מח עצם, הסובלים מהתפרצויות חוזרות של הנגיף בתדירות גבוהה יותר מאשר באנשים בריאים, בשל חולשת מערכת החיסון שלהם. לעומת זאת הנגיף Varicella zoster מתפרץ מחדש בדרך-כלל באנשים קשישים הסובלים מדיכוי טבעי (הנגרם עם הגיל) של המערכת החיסונית. האם התרופה אציקלוויר, שפותחה נגד נגיף ההרפס, מהווה פתרון של ממש לסובלים מהנגיף? האציקלוויר משמשת לטיפול הן בהרפס סימפלקס (HSV1 ו-HSV2) והן בשלבקת חוגרת. למעשה, התרופה יעילה יותר בטיפול בשלבקת חוגרת וזאת משום שנגיפי Varicella zoster יוצאים מתוך התא ולפיכך חשופים יותר לתרופה, ולעומתם נגיפי הסימפלקס, כאמור, אינם יוצאים מתוך תא העצב ולפיכך חשופים פחות לתרופה. בהקשר זה ראוי להזכיר כי לאחרונה טיפלנו בבית-החולים הדסה בהר הצופים בחולה שלקתה באנצפליטיס (דלקת המוח), שבמקרים נדירים נגרמת על־יד׳ נגיף ההרפס. חולה זו לא סבלה בעבר מהתפרצויות של הנגיף. אף על פי כן, האבחנה שלנו היתה מיידית, והחולה החלימה לחלוטין. הטיפול היה מתן אציקלוויר דרך הווריד. מדוע אין חיסון נגד הרפס? האם חיסון כזה נמצא בשלבי פיתוח? ישנו חיסון כנגד הנגיף Varicella zoster, הניתן בדרך־כלל נגד אבעבועות רוח, אך הוא יעיל גם נגד שלבקת חוגרת במדוכאי חיסון וניתן בדרך-כלל לקשישים. אין כיום חיסון כנגד הרפס סימפלקס, כיוון שחיסון זה לא ימנע מהנגיף להסתתר ולהימצא באופן רדום בתוך תאים. מנסים לפתח חיסון שיפעל גם כשהנגיף נמצא בתוך התאים, אך הדרך עוד ארוכה, כיוון שכך, הדבקה לטנטית הנגיף מוסתר למעשה ממערכת החיסון. בינתיים אין פריצות דרך שיובילו לפיתוח חיסון או טיפול יעיל יותר מהקיים. האם יש קשר בין נגיף ההרפס סימפלקס למחלת הסרטן? אין עדויות לקשר של הרפס סימפלקס לסרטן. בסוגי הרפס אחרים ישנו קשר מובהק. למשל בנגיף אפשטיין־בר וכמובן בסרקומת קפושי, שגורם HSV8, נגיף ממשפחת ההרפס. כיצד יכול נגיף ההרפס לגרום לדלקת המוח (אנצפליטיס)? באופן תיאורטי, ישנם כמה מגנונים אפשריים. כתוצאה מזיהום ראשוני, שפעול מחדש מתוך הגנגליונים התחושתיים, או שפעול מתוך רקמת המוח. דלקת המוח מסוכנת במיוחד בילדים. אך לא ברור עדיין מה גורם למקרים שבהם הרפס מוביל לדלקת המוח. לאחרונה התפרסם מחקר שלפיו ילדים שפיתחו דלקת מוח כתוצאה מהרפס לוקים בפגם גנטי.  פרופ' ישראל שטיינר הוא רופא ראשי מומחה בנוירולוגיה בבית-החולים הדסה בירושלים. המתמחה בין היתר במחלות שגורמים נגיפי ההרפס וחוקר זיהומים לטנטיים בנגיפי הרפס במערכת העצבים.

לקריאה נוספת:

Gupta, A. ,Gartner, J.J., Sethupathy, P., Hatzigeorgiou, A.G. and N.W. Fraser, Anti apoptotic function of a microRNA encoded by the HSV-1 latency-associated transcript. Nature, 2006. 446(14): p. 82-85.

Sugden, B, Micro Mystery solution, Nature, 2006. 446(14): p. 33-34.

אתר מדליין פלוס של הספרייה הלאומית האמריקנית לרפואה וארגון הבריאות הלאומי (NIH):

הכתבה פורסמה בגליליאו 117, 2008

על קרומי חיידקים וכיצד להילחם בהם - דינה וולודרסקי

חומרים הפוגעים בקרומי חיידקים - תרופות של העידן הבא?

במשך שנים רבות התייחסו החוקרים לחיידקים כאל יצורים יחידאיים, המתרבים בלא תלות זה בזה. קו מחשבה זה התבסס, בין היתר, על תצפיות שנערכו על חיידקים הגדלים באופן חופשי בתמיסה, מצב שאינו מאפיין את תנאי מחייתם בטבע. ואולם, בשנים האחרונות הסתבר כי החיידקים מתקיימים גם בצורות מורכבות יותר. את המונח "ביופילם", המציין קרום ביולוגי הצמוד למשטח קשיח, טבע בשנות השבעים של המאה ה-20 המיקרוביולוג ויליאם קוסטרטון (Costerton) מאוניברסיטת מונטנה, אשר הבחין כי רוב החיידקים החיים על סלעים בפלגי מים מאורגנים במבנה קרומי רב-תאי. מעניין לציין, כי כבר במהלך המאה ה-17 הבחין בביופילם החוקר אנטוני וון לוונהוק (Leeuwenhoek), אשר בנה מיקרוסקופ אור והצליח להבחין בקרום חיידקים בחומר שגירד משיניו, אף על פי שלא הבין זאת בזמנו.

המחקר המתקדם של המבנים הקרומיים הרב-תאיים של החיידקים התאפשר רק בשלהי שנות השמונים, בעקבות התפתחויות בתחומי הביולוגיה המולקולרית והמיקרוסקופיה. התברר כי הביופילמים אינם רק מרבדי חיידקים על גבי משטחים קשיחים, אלא מערכות ביולוגיות מורכבות ודינמיות, והתנהגותו של כל חיידק שונה בתוך הקרום ומחוצה לו. חיידק המצטרף לחיים בקרום משנה את התנהגותו בהתאם; הוא כבר אינו יחידאי ושינויים רבים חלים בו: דופן התא משתנה כך שיתפתחו כוחות תאחיזה בין החיידק לבין המשטח שאליו הוא מחובר, מתרחשת ירידה ברמת הביטוי של חלבונים אשר אינם נדרשים לחיים בקרום (כגון חלבונים האחראים ליכולת התנועה של החיידק), ומנגד - מתרחשת עלייה בביטוי חלבונים אחרים. חלבונים אלה אחראים, למשל, לתקשורת עם החיידקים השכנים וליצירת חומר רב-סוכרי המופרש אל מחוץ לחיידקים, מגן עליהם ומאפשר את בניית הקרום.

קרומי חיידקים ומחלות

אחת התכונות המובהקות בצורת הגדילה כקרום היא העמידות המוגברת של החיידקים בקרום להרג, בהשוואה לחיידקים חופשיים. כתוצאה מכך, ביופילמים הם מקור מרכזי לזיהומים. מכון הבריאות הלאומי האמריקני, ה-NIH, העריך לאחרונה כי מעל ל-60% מהמחלות החיידקיות המטופלות בבתי-החולים בארצות-הברית נגרמות על-ידי קרומי חיידקים המתפתחים על התקנים רפואיים או בגוף החולה, ולא על-ידי חיידקים חופשיים. כיום ידוע כי רוב המחלות החיידקיות הכרוניות (אשר אינן ניתנות לטיפול אנטיביוטי) נגרמות כתוצאה מהתפתחות קרומי חיידקים.

זה המצב במקרה של סיסטיק פיברוזיס (Cystic Fibrosis, CF); זוהי מחלה תורשתית קשה הגורמת לכך שחלבון, המתפקד כנשא המעביר יוני כלור אל התא ומחוצה לו, פגום ואינו מבצע את עבודתו. חלבון זה אמור לתפקד, בין היתר, בתאי הדפנות הפנימיות של הריאות ודרכי הנשימה. כאשר הנשא פגום או כלל אינו נוצר, הריר המרפד את הריאות וכלי הנשימה אינו מכיל די מלח, ולכן אינו סופג די מים והוא צמיג, בניגוד לריר המימי המופרש באנשים בריאים. בעוד שהריר המימי באנשים בריאים מקל את סילוק החיידקים, הריר הסמיך מהווה כר נוח להתפתחות חיידקים וליצירת ביופילמים.

החיידק Pseudomonas aeruginosa הוא אחד הגורמים העיקריים היוצרים ביופילמים ברֵיאות של חולי סיסטיק פיברוזיס. מערכת החיסון של החולה מנסה להיאבק בחיידקים שיצרו ביופילם, אך בלא הצלחה, ונוצרת במקום דלקת כרונית, שאף מחמירה את המצב. דלקת כרונית זו היא המביאה בסופו של דבר להידרדרות במצב הריאות ולמותם של חולי סיסטיק פיברוזיס.

דוגמה אחרת היא זיהומים על גבי התקנים רפואיים (כדוגמת קתטרים, קוצבי לב, מִפרקים מלאכותיים וצנתרים), אשר אף הם נגרמים לרוב על-ידי ביופילמים של החיידק P. aeruginosa וחיידקים אחרים. השימוש המוגבר בהתקנים אלו, והעובדה שהם מהווים משטח נוח להתפתחות ביופילמים, הם גורם חשוב בעלייה בזיהומי ביופילם בבתי-החולים.

החיידק P. aeruginosa אחראי גם לצרות נוספות: דלקות עיניים הקשורות לשימוש בעדשות מגע וזיהום של כוויות. גם העששת, מחלה ששמה נישא בפי כל, נגרמת כתוצאה מביופילמים של חיידקים על השיניים.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני: ביופילם של Pseudomonas aeruginosa שהתפתח על גבי קתטר

השלבים ביצירת הביופילם

תהליך יצירת ביופילם מתחיל כשחיידקים יחידים נצמדים באופן חלש והפיך אל המשטח הקשיח. בהמשך, ההיצמדות הופכת חזקה יותר ובלתי הפיכה, החיידקים מפרישים חומר חוץ-תאי פולימרי, וחיידקים נוספים - שלא יכלו להיצמד למשטח מלכתחילה - נצמדים לחיידקים ה"ותיקים" בקרום או לחומר החוץ-תאי. הקרום גדל בהדרגה, הן על-ידי צירוף חיידקים חדשים והן על-ידי התרבות של החיידקים הקיימים, עד לקבלת ביופילם בוגר. בסופו של דבר, חלק מהתאים-הצאצאים משתחררים מהקרום ויכולים להתחיל ביצירת קרום חדש באתר אחר.

משמאל לימין: קישור הפיך לפני השטח; היצמדות חזקה יותר ובלתי הפיכה; הפרשת חומר חוץ-תאי פולימרי והבשלת הביופילם;
שחרור תאים מהקרום

"לא טוב היות החיידק לבדו", או מדוע יוצרים החיידקים קרומים?

מהם, לדידו של החיידק, היתרונות שביצירת ביופילמים ובהיצמדות למשטחים, שהופכים את תופעת הביופילמים לנפוצה כל-כך? ראשית, המשטחים הקשיחים והארגון של הביופילם מאפשרים יציבות מסוימת ומספקים הגנה מתנאים סביבתיים קשים, כגון חשיפה לרעלים וחומרים אנטיביוטיים. שכבת הסוכרים שמפרישים החיידקים בקרום מגנה עליהם מפני חלק מהחומרים המסוכנים עבורם, והשכבות החיצוניות של הקרום מגנות על השכבות הפנימיות יותר. נוסף על כך, בתוך הביופילם ישנן מובלעות של חיידקים רדומים, המהווים מעין גיבוי ומבטיחים יכולת שיקום של הביופילם בעקבות פגיעה בחיידקים הפעילים (רוב החומרים האנטיביוטיים יעילים כנגד חיידקים פעילים בלבד, מאחר שהאנטיביוטיקה פוגעת באחד ההליכים החיוניים לפעילותו או להתרבותו של החיידק). לאחר טיפול אנטיביוטי, החיידקים השורדים מנצלים את החיידקים שנפגעו כחומרי מזון ומשקמים את הביופילם שניזוק. גם ב"עתות שלום", כאשר הביופילם אינו פגוע, נפוצים מצבים שבהם מין אחד של חיידקים ניזון מתוצרי הפסולת של מין אחר בתוך הקרום.

דבר אלי ב-homoserine lactones, או: חשיבותה של התקשורת בין חיידקים

תופעה חברתית נוספת שהתגלתה בחיידקים, וחשובה להתפתחות ביופילמים, היא יכולתם לתקשר זה עם זה ולתאם את פעילותם. חלק מהחיידקים מפרישים לסביבתם הקרובה acyl homoserine lactones (AHLs), המשמשים כמולקולות איתות. אם החיידק נמצא בסביבה שאין בה חיידקים אחרים, הרי שריכוזם של חומרים אלו יהיה נמוך. לעומת זאת, אם החיידק מצוי בסביבה רווית חיידקים, המפרישים גם הם מולקולות AHLs, ריכוז החומרים יעלה. החומרים יוכלו לחדור לחיידק ולגרום לביטוי גנים ספציפיים.

מולקולות ה-AHLs מאפשרות לחיידק לחוש, שיש בסביבתו מספר גדול של חיידקים. תופעה זו מכונה חישת הקוורום - Quorum sensing (וראו "החיים הקרומיים של החיידקים", "גליליאו" 101). מנגנון זה מווסת את ביטוים של גורמי אלימות בחיידקים וכן את המעבר ממצב יחידאי למצב הקרומי, על-ידי הפעלת גנים האחראים לחלבונים ההכרחיים לחיים קרומיים.

החשיבות של חישת הקוורום להתפתחות ביופילם הביאה לחיפוש מולקולות בלתי פעילות הדומות ל-AHLs, אשר יכולות לשמש כחומר "אנטי-ביופילמי" משום שהן נקשרות לקולטנים של מולקולות האיתות האמיתיות, אך אינן מעבירות את האות הנחוץ. החוקרים סטפן קיילברג (Kjelleberg) ופיטר שטיינברג (Steinberg) מאוניברסיטת ניו סאות' ויילס באוסטרליה מצאו כי האצה האדומית Delisia pulchra מייצרת חומרים הדומים למולקולות AHLs, המפריעים ליצירת הקרומים החיידקיים ומגנים בדרך זו על האצה. גם עאדל ג'בור (Jabbour), תלמיד דוקטורט שעבד בהדרכתם של פרופ' מוריס סרבניק (Srebnik) מבית הספר לרוקחות ושל פרופ' דורון שטיינברג (Steinberg) מהפקולטה לרפואת שיניים באוניברסיטה העברית בירושלים, הצליח לייצר תרכובות כימיות הדומות למולקולות התקשורת הטבעיות ויכולות לשבש את התקשורת בין החיידקים.

חיידקים, קרומים, ברזל ומה שביניהם...

בשנת 2002 התפרסם בכתב-העת המדעי Nature מאמר של פרדיפ סינג (Singh) וצוותו מאוניברסיטת איווה, שבו דיווחו החוקרים שהחלבון לקטופרין (Lactoferrin), הנמצא בריכוזים גבוהים בחלב אם, בדמעות ובהפרשות של דרכי הנשימה, פוגע ביכולתו של החיידק P. aeruginosa ליצור ביופילמים. נמצא כי היכולת של החלבון לקטופרין לספוח אליו ברזל חופשי, ועל-ידי כך למנוע מהחיידקים לעשות שימוש בברזל, היא המונעת את היווצרות הביופילמים. החוקרים הצביעו על האפשרות שברזל משמש כאות חיוני לצורך יצירת הקרום החיידקי, ומתפקד כמתג למעבר ממצב יחידאי למצב קרומי.

ד"ר אהוד בנין מהפקולטה למדעי החיים על שם מינה ואוורד גודמן והמרכז לחומרים מתקדמים וננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן חוקר את תפקידי הברזל ביצירת הקרום החיידקי, ומשתמש בחיידק P. aeruginosa כאורגניזם מודל. בנין הראה כי סף מסוים של ברזל תוך-תאי חיוני ליצירת הביופילם. דיפוזיה פשוטה של ברזל אינה מספיקה כדי להגיע לסף הדרוש, ועל החיידקים להשתמש בנשאי ברזל, הנקשרים לקולטנים על פני התא, המכניסים פנימה את הקומפלקס תוך השקעת אנרגיה. מכיוון שברזל ממלא תפקיד כה חשוב בהתפתחות הביופילמים, פגיעה ביכולתם של החיידקים לספוג את הברזל עשויה למנוע או לעכב את יצירת הקרום החיידקי.

ד"ר בנין הראה כי החומר EDTA, הסופח יונים מתכתיים דו-ערכיים (ולכן - גם ברזל), פוגע בביופילמים. כאשר משתמשים ב-EDTA יחד עם האנטיביוטיקה ג'נטמיצין (gentamicin), הביופילם מושמד כליל.

תמונת מיקרוסקופ קונפוקלי: תמונה של ביופילם של P. aeruginosa לאחר טיפול ב-EDTA. הצבע האדום הוא סמן לתאים מתים,
ואילו הצבע הירוק הוא סמן לתאים חיים. אפשר לראות כי רוב הביופילם הושמד. יתר על כן, התאים שבמרכז הביופילם,
שברוב המקרים מראים עמידות מוגברת להרג, הם אלו שהושמדו.

שיטה אחרת, שפותחה בשיתוף עם פרופ' מרדכי חביון (Chevion), פרופ' אייל בנין (Banin) מהאוניברסיטה העברית ופרופ' פיטר גרינברג (Greenberg) מאוניברסיטת וושינגטון, היא שיטת ה"סוס הטרויאני", אשר נועדה להקטין את כמות הברזל התוך-תאי ולפגוע ביצירת הביופילם. הסוס הטרויאני הוא נשא שהחיידקים משתמשים בו באופן טבעי לקליטת ברזל, אך במקום ברזל, נושא הנשא יון רעיל לחיידקים, וכך החיידק "מרומה" ומקבל רעל במקום ברזל. בנין ועמיתיו הראו כי שיטת הסוס הטרויאני יעילה לטיפול בביופילם של החיידק P. aeruginosa במצבים שבהם הטיפול האנטיביוטי נכשל. את יעילותה של השיטה הדגימו החוקרים בארנבות שלקו בדלקת של חיידק זה בקרנית העין. טיפול משולב בשיטת הסוס הטרויאני ובאנטיביוטיקה הצליח לפגוע בחיידקים פגיעה ניכרת. כעת נותר להעריך את היכולת של החיידק לפתח עמידות כנגד הטיפול החדש.

ד"ר בנין עוסק בחיפוש אחר חומרים אחרים, שיוכלו גם הם לעכב את התפתחות קרומי החיידקים או לפגוע בקרומים קיימים. לשם כך פנה אל הטבע. הנחת היסוד היא, שבמהלך האבולוציה נאלצו צורות החיים השונות בטבע להתמודד עם התיישבות חיידקים ולמנוע אותה בצורה יעילה. לכן קיים סיכוי רב לאתר חומרים הפוגעים בביופילמים באזורים שבהם היינו מצפים להתפתחות קרומים חיידקיים, אך התפתחות זו מעוכבת. בנין וקבוצתו סבורים, שיש סיכוי סביר למצוא חומרים מונעי התיישבות חיידקים בחומרי טבע מהסביבה הימית (דוגמת אלה שמפרישה האצה האדומית), ובצמחי תבלין מסוימים.

העין היא דוגמה נוספת למקור אפשרי לזיהוי חומרים חדשים המעכבים התיישבות חיידקים. העין חשופה באופן תמידי לחיידקים גורמי מחלות, ובכל זאת, זיהומים בעין הם נדירים יחסית. מכיוון שבקרנית אין כמעט כלי דם, יכולתה של מערכת החיסון בה מוגבלת. נוזל הדמעות משמש כהגנה הראשונית, באמצעות מרכיבים המפריעים להיווצרות קרומי חיידקים.

קרומים ביולוגיים: הטוב, הרע והסוס הטרויאני

ד"ר אהוד בנין, אורגניזם המודל העיקרי שאתה משתמש בו במחקריך הוא החיידק P. aeruginosa. מדוע בחרת דווקא בו?

למעשה, זהו החיידק המועדף כאורגניזם מודל בקרב רוב חוקרי הביופילמים. מדובר בחיידק נפוץ מאוד בסביבה, שאפשר לבודד אותו מדגימות אדמה ומצמחים. זהו פתוגן אופורטוניסטי, כלומר רק לעתים נדירות גורם למחלה באנשים בריאים, אך מסוכן לאנשים שמערכת החיסון שלהם מוחלשת. החיידק הוא גורם מרכזי בהתפתחות זיהומי ביופילם בבתי-חולים, ולכן הוא בעל חשיבות קלינית רבה.

מבחינה מחקרית זהו חיידק מעניין ביותר, מכיוון שיכולת ההסתגלות שלו לסביבה שבה הוא נמצא היא גבוהה מאוד. החיידק נוטה לעבור שינויים רבים בהתאם לסביבה שבה הוא חי, וכך מצליח לשרוד בסביבות שונות. התברר כי אם נוטלים לאורך שנים אחדות דגימות של החיידק מאותו חולה, ובודקים את הרצף הגנומי שלו, מוצאים שינויים המשפרים את שרידותו במאכסן.

מחקרך מתמקד בברזל כמצרך חיוני ליצירת הביופילם. האם יש קשר בין הצורך בברזל לבין חישת הקוורום (Quorum sensing), שכבר הוכח כי היא הכרחית ליצירת הביופילם?

אכן, מצאנו קשר בין כמות הברזל בסביבה לבין חישת הקוורום. מערכת חישת הקוורום בהחלט מושפעת מהתנאים הסביבתיים, וביניהם ריכוז הברזל. כאשר ישנם תנאים של הרעבה לברזל, מתחוללת עלייה ביצירת האותות של חישת הקוורום. בדקנו זאת על-ידי גידול חיידקים בסביבות בעלות ריכוזים שונים של ברזל והפקה וכימות של ה-AHLs - שהם האותות של חישת הקוורום - מתוך המצע שבו גדלו החיידקים. הקשר בין ברזל לתקשורת בין חיידקים פותח פן מחקרי חדש, הקושר שני מנגנוני בקרה חשובים ביותר להתפתחות הביופילם ומדגים כי חישת הקוורום אינה תלויה אך ורק בצפיפות החיידקים אלא גם בגורמים מטבוליים.

אילו יתרונות יש לטיפולים ה"אנטי-ביופילמיים" לעומת הטיפולים האנטיביוטיים המוכרים לנו?

הרעיון הכללי הוא לזהות תהליכים חיונים לביופילם, אשר יכולים לשמש אתרי מטרה לטיפול. כך, לדוגמה, המחקר הבסיסי שלנו, שהצביע על חשיבות הברזל בהתפתחות הביופילם והביא לפיתוח הסוס הטרויאני. דוגמה נוספת היא פיתוח של חומרים מונעי תקשורת בין חיידקים. זוהי כעין "מלחמה אלקטרונית". כאשר מפריעים לתקשורת בין החיידקים, מקבלים החלשה של הביופילם ומקנים יתרון למערכת החיסון שלנו. מצד אחר, העובדה שלא הורגים את החיידקים באופן ישיר מורידה באופן משמעותי את הלחץ הסלקטיבי של החיידקים לפתח עמידות.

האם הפתרונות שאתה מציע, כגון שיטת הסוס הטרויאני והשימוש בסופח היונים EDTA, אינם מסוכנים לבני-אדם?

השיקול הוא תמיד עלות מול תועלת. גם לחומרים האנטיביוטיים, שכולנו משתמשים בהם, עלולות להיות תופעות לוואי שליליות. לגבי שיטת הסוס הטרויאני: שני החומרים שנעשה בהם שימוש הם תרופות מוכרות (כל אחד לחוד), ובריכוזים שבהם אנו משתמשים לא צפויות תופעות לוואי. בניסוי בארנבות לא נראו השלכות מזיקות. עם זאת, החומר עדיין רחוק מלהיות משווק ועליו לעבור את אישור מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA).

מה תרצה להוסיף לסיום?

אף שאני מתמקד בדרכים לפגוע בביופילמים, יש לזכור שבמקרים רבים הקרומים החיידקיים משמשים לטובתו של האדם, למשל לטיהור שפכים, לניקוי פסולת מסוכנת וכפילטרים ביולוגיים.

לגבי הלוחמה בביופילמים, אני חושב שאנו נמצאים בתקופה שבה יש הן האפשרות (ההתפתחויות הטכנולוגיות והשיטות שהזכרתי) והן הצורך (בעיית העמידות לחומרים אנטיביוטיים) לחקור את הנושא. ההשלכות הרפואיות שיכולות להיות להבנת מנגנוני הקרומים החיידקיים הן בעלות חשיבות רבה אם ברצוננו לתת מענה לבעיה זו.

לקריאה נוספת

אתר של אוניברסיטת מונטנה, ובו קטעי וידיאו המתארים היווצרות והתפתחות של ביופילמים:

Hall-Stoodley,L., J.W, Costerton, and P.Stoodley. 2004. Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews 2:95-108.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 116, עמ' 68-64, אפריל 2008

חיסון נגד סרטן - דינה וולודרסקי

החיסון נגד נגיף סרטן צוואר הרחם

טיפול בסרטן: מניעה בשלוש רמות

מחלות הסרטן מאופיינות בנוכחות תאים סרטניים בגוף. בתאים אלה התחוללה סדרת מוטציות, שגרמה להם להתחלק באופן בלתי מבוקר. התאים הסרטניים יוצרים גוש או לחלופין מתפשטים, תופסים מקום ומפריעים לאיברים שונים. בשלבים מתקדמים, גם תאים יוצרי-גוש יכולים לנדוד ברחבי הגוף וליצור גרורות - גידולים משניים.

סרטן איננו מחלה אחת, אלא קבוצה של מחלות, וסוג הסרטן נקבע לפי סוג האיבר וסוג התאים שבהם מתפתח הגידול. לימפומה, למשל, היא סרטן של קשרי הלימפה, ואילו מלנומות הן גידולים ממאירים של התאים המייצרים את הפיגמנט מלנין.

מחלות הסרטן הן אחד האתגרים החשובים ביותר העומדים בפני הרפואה המודרנית. בכל שנה מאובחנים בישראל כ-23,500 חולים חדשים במחלות השייכות לקבוצת מחלות הסרטן. אפשר להתייחס לטיפול בסרטן כאל מניעה בשלוש רמות: מניעה ראשונית היא מניעה של הופעת הגידול מלכתחילה, על-ידי צמצום החשיפה לגורמי הסיכון. מניעה שניונית מוגדרת כהגבלת ממדי הגידול, וזו נעשית בעיקר באמצעות אבחון מוקדם. מניעה שלישונית היא חסימת ההתפשטות של גרורות.

מובן שמניעה ראשונית באוכלוסייה בריאה היא האפשרות המועדפת, ואכן נעשית הסברה רבה על גורמי סיכון כגון עישון, אלכוהול, קרינה, מאכלים שומניים וכדומה. לאחרונה התפתח ענף חדש בתחום המניעה הראשונית - פיתוח חיסונים כנגד נגיפים הגורמים לסוגי סרטן מסוימים.

חיסון נגד דלקת כבד (הפטיטיס) מסוג B, לדוגמה, הוריד מאוד את התחלואה בסרטן הכבד, ואילו החיסונים החדשים נגד נגיף הפפילומה מהווים פריצת דרך רפואית, ומצליחים למנוע ביעילות הקרובה ל־100 אחוזים הידבקות בנגיפים הגורמים לסרטן צוואר הרחם.

נגיף הפפילומה והסרטן

נגיפי הפפילומה נפוצים הן באדם והן בבעלי-חיים אחרים, מדביקים את העור ואת הרקמות הריריות ומועברים בעיקר ביחסי מין. למעשה, נגיפים אלה הם גורם המחלה הנפוץ ביותר המועבר ביחסי מין. באדם זוהו יותר מ־100 זנים שונים של נגיף הפפילומה של האדם (HPV, human papilloma virus); רוב הזנים גורמים ליבלות, בדרך-כלל על איברי המין, ואילו קבוצה קטנה מעורבת בהתמרה סרטנית.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של נגיפי פפילומה של האדם (הצבעים הוספו לתמונה לשם הדגשה)

למשל, הזנים המכונים HPV16 ו-HPV18  שייכים לקבוצה המסוכנת ואחראים לכ-70% ממקרי סרטן צוואר הרחם. לעומתם, הזנים HPV6 ו-HPV11 אחראים ליבלות באיברי המין.

נגיף הפפילומה חודר דרך פצעים זעירים ברקמת העור, ומדביק את התאים הבזליים (תאים בשכבה התחתונה של אפיתל העור, שעדיין אינם ממוינים). מחזור הרבייה של הנגיף מתואם עם התמיינות התאים. עם החדירה לתא הבזלי, הנגיף גורם להגברת קצב החלוקה של התאים, דבר המביא ליצירת יבלת על פני העור. אם הזן המדביק נמנה עם הזנים הגורמים לסרטן, התאים שנדבקו מאבדים את היכולת להתמיין (לקבל תפקיד מוגדר). לעומת זאת, בזנים גורמי-היבלות הנגיפים מבשילים לאורך תהליך התמיינות התא, ולבסוף נוצרים נגיפים חדשים. כאשר התאים מגיעים לשכבה העליונה של העור ומתים - שהרי השכבה העליונה ביותר של העור, החשופה לפגעי הסביבה, מורכבת מתאים מתים - הנגיפים יוצאים מהם.

תרשים של איברי הרבייה של האשה

החומר התורשתי של נגיפי הפפילומה הוא DNA שצורתו מעגלית. בתא שמתחוללת בו התמרה סרטנית, מולקולת ה-DNA המעגלית של הנגיף נפתחת, משתלבת בתוך ה-DNA הגרעיני של התא ומשתכפלת במהלך חלוקת התא. בתא שאינו עובר התמרה סרטנית, ה-DNA הנגיפי מתקיים באופן חופשי בגרעיני התאים המודבקים, כלומר מצוי כאפיזום.

החלבונים המקודדים על־ידי ה-DNA הנגיפי מבוטאים בתאים מודבקים (לא סרטניים) בהדרגה: תחילה הגנים המכונים ״הגנים המוקדמים״, הקשורים בשכפול החומר התורשתי הנגיפי, ולאחר מכן ״הגנים המאוחרים״ המקודדים יצירת חלבונים של המעטפת החלבונית (קפסיד) של הנגיף.

בעוד שהגנים המאוחרים פעילים רק בשלבים האחרונים של התמיינות התאים, ואינם פעילים כלל במצבים ממאירים, הגנים ה״מוקדמים״, המכונים E6 ו-E7, הם בעלי תפקיד בהתמרה הסרטנית. גנים נגיפיים אלה אחראים ליצירת חלבונים המפריעים לפעולתם של חלבונים תאיים, המעורבים בהגנה על התא מפני שינויים ממאירים. החלבונים הללו מקודדים על-ידי גנים הנקראים "גנים מדכאי גידולים”(Tumor suppressor genes), משום שתפקידם לעכב את מחזור התא או לגרום ל״התאבדות״ (אפופטוזה) של התא אם נגרם נזק בלתי הפיך ל-DNA שלו. כאשר החלבונים הנגיפיים מעכבים את ״מדכאי הגידולים״ של התא, תאים שה-DNA שלהם ניזוק יכולים להתחלק ולהתרבות.

מחקרים העלו כי ה-DNA הנגיפי של נגיף הפפילומה, ה-HPV, נמצא ב-99.7% מדגימות התאים של סרטן צוואר הרחם. אף על פי כן, חשוב להבין שההדבקה כשלעצמה אינה מהווה תנאי מספיק להתפתחות גידול סרטני, אלא דרושים אירועים נוספים. יתר על כן, הנגיף יכול להישאר במצב בלתי פעיל במשך שנים מרגע ההדבקה. למרבה המזל, אפילו ההדבקה בזנים המסוכנים ביותר של הנגיף אינה מובילה בדרך-כלל למחלה, הודות למערכת החיסון של הגוף, המצליחה כרגיל להתגבר על הנגיף.

מדוע חיסון?

חיסון הוכח זה כבר כאמצעי היעיל ביותר למלחמה במחלות זיהומיות. החיסון המונע ניתן לאנשים בריאים על מנת למנוע הידבקות במחלה טרם החשיפה לגורם הזיהומי, ותופעות הלוואי של החיסון הן לרוב מצומצמות.

הטיפול המוצלח ביותר בסרטן הוא למנוע את המחלה - אך קשה למדי להימנע לחלוטין מגורמים מסרטנים. לפיכך, אין זה מפתיע שרעיון החיסון נגד סרטן קסם לרבים. ביוני 2006 אישר מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) את השימוש בתרכיב החיסון גרדסיל (Gardasil) של חברת מרק (Merck). זהו חיסון מונע כנגד נגיף הפפילומה של האדם. תרכיב חיסון נוסף, הקרו סרבריקס (Cervarix), שמייצרת חברת גלקסו-סמית-קליין (GlaxoSmithKline), כבר אושר לשימוש באוסטרליה.

פיתוח החיסון

הידע הקיים בתחום החיסונים נגד סרטן הצטבר בעיקר בעקבות ניסויים בבעלי־חיים. המודלים המקובלים הם השתלת גידולים בגופם של בעלי-החיים; או השריית גידולים באמצעות חשיפה לגורמים מסרטנים; או השריית שינויים גנטיים מכוונים.

קצב התקדמות הגידול בעכברים מהונדסים גנטית הוא אטי יחסית לקצב התקדמות גידול המושתל בעכבר, ולפיכך מתאפשרת אינטראקציה בין הגידול לבין מערכת החיסון של העכבר. בפיתוח החיסון נגד נגיף הפפילומה, נעשו ניסויים רבים בזני נגיף שאינם מדביקים בני-אדם, משום שזני הפפילומה של האדם (הזנים ה״אנושיים״), כשמם כן הם - מדביקים בני-אדם בלבד.

במקרה של נגיף הפפילומה של האדם, חיסון המבוסס על נגיף מוחלש אינו אפשרי בשל הסכנה שבדבר: כאמור,

הנגיף מכיל גנים המעודדים התמרה סרטנית (אונקוגנים).

החיסון פותח לבסוף בשיטות של הנדסה גנטית, תוך שימוש בחלבון הנגיפי L1 כאנטיגן, קרי, מולקולה המעוררת את מערכת החיסון לייצר נוגדנים כנגדה. החלבון L1 הוא אחד החלבונים ה״מאוחרים״ של הנגיף, והוא אחד החלבונים החשובים במעטפת החלבונית של הנגיף. החיסון איננו מכיל, אם כן, חומר תורשתי נגיפי, היכול לחדור לתאים ולעבור שכפול, אלא רק חלבון אחד של הנגיף, ולכן איננו עלול לגרום להתמרה סרטנית.

בשלב הניסויים הקליניים בבני-אדם, נעשו ניסויים בחיסונים המבוססים על תערובות של חלבון L1 מזני הנגיפים המסוכנים ביותר. תרכיב החיסון הראשון שאושר לשימוש הוא הגרדסיל.

תרכיב הגרדסיל

הגרדסיל הוא חיסון"מרובע״, המבוסס על חלבון L1 של נגיפי הפפילומה מזנים HPV16 ו-HPV18 כנגד סרטן צוואר הרחם, והזנים HPV6 ו-HPV11 כנגד יבלות על איברי המין. בעזרת תאי שמרים יצרה חברת מרק חלקיקים דמויי- נגיף (virus like particles), שהם חלקיקים בעלי מעטפת חלבונית של הנגיף, אך חסרים את החומר התורשתי הנגיפי. חלקיקים אלה מסוגלים לעורר את מערכת החיסון, אך אינם מסוכנים, כיוון שאין בהם DNA, ולכן אינם יכולים להדביק תאים או להתרבות בהם.

כמקובל בחיסונים, גרדסיל כולל לא רק את החומר הפעיל, אלא גם חומר שנועד להגביר את התגובה החיסונית (adjuvant). במקרה זה, משתמשים במלחי אלומיניום.

המחקר הקליני נערך על 12,000 נשים צעירות ובריאות בגילים 26-16. טווח גילים זה נבחר לצורך המחקר הראשוני על סמך ההנחה, שאלה הם הגילים שבהם רוב הנשים באות במגע מיני עם בני-זוג חדשים ונשקפת להן סכנת הדבקה. כל נערה או אשה קיבלה את חיסון הגרדסיל או פלסבו (כביקורת). המחקר היה כפול־סמיות (double blind), כלומר, המידע על השתייכותה של כל משתתפת לקבוצת הניסוי או לקבוצת הביקורת נשאר חסוי הן מן הרופאים והן מן הנשים המשתתפות. החיסון ניתן ב־3 מנות, כאשר זמן מתן החיסון הראשון הוגדר כזמן 0, החיסון השני ניתן לאחר חודשיים והחיסון השלישי לאחר 6 חודשים. מן המחקר עולה כי במהלך תקופת המעקב החיסון היה יעיל ב־100 אחוזים במניעת הופעת יבלות ושינויים טרום- סרטניים שגורמים ארבעת זני הנגיף שנגדם כוון. התברר כי לא היה יתרון למחוסנות מבחינת עמידותן לנגיפי פפילומה מזנים אחרים. כן נמצא כי התגובה לחיסון מתחילה כ-3 חודשים לאחר מתן החיסון הראשון, ומגיעה לערכה המרבי כחודש לאחר מתן החיסון האחרון. ממחקרים נוספים שנערכו על קבוצות נוספות עלו תוצאות דומות.

בהמשך נערכו שני מחקרים נוספים להערכת התגובה החיסונית (כמות הנוגדנים) בעקבות החיסון בילדות ונערות בגילים 15-9, על מנת להעריך את יעילות החיסון גם בגילים צעירים. נמצא שהיעילות דומה, ולכן אושר החיסון גם לגילים אלה.

המסקנות על יעילות החיסון מוגבלות לטווח זמן של כ-5 שנים מרגע החיסון, שכן הניסויים הקליניים הופסקו לאחר פרק זמן זה מסיבות אתיות - כדי לאפשר לנשים שהשתייכו לקבוצות הביקורת לקבל את החיסון, שהוכח כיעיל.

תרכיב הסרבריקס

תרכיב הסרבריקס (Cervarix) מיועד כנגד הזנים HPV16ו-HPV18 (הגורמים להתמרה סרטנית) בלבד, והמחקרים בו נערכו בנשים שגילן עד 45, במטרה לאשר את השימוש בו גם לאוכלוסייה זו.

גם חיסון זה מבוסס על יצירת חלקיקים דמויי-נגיף הכוללים את החלבון הנגיפי L1, אך המערכת שבה פיתחו החוקרים את החלקיקים המהונדסים היא תאי חרק (לעומת מערכת תאי שמרים בתרכיב הגרדסיל). הבדל נוסף הוא שימוש בתכשיר מיוחד (תערובת המכונה AS04) כמסייע לתגובה החיסונית (לעומת מלחי אלומיניום בחיסון הגרדסיל), כדי לקבל תגובה חיסונית בעלת יעילות גבוהה יותר ולהאריך את משך ההגנה שמקנה החיסון.

מי צריך להתחסן?

רצוי לקבל את החיסון טרם תחילת קיום יחסי מין. עם זאת, גם נשים שנדבקו באחד הזנים לפני החיסון תזכינה בהגנה מפני הזנים האחרים. נוסף על כך, ייתכן שהחיסון ימנע או יצמצם את העברת הנגיף לבן הזוג. כמו כן ייתכן, שמתן החיסון לנשים הסובלות מיבלות באיברי המין יצמצם את העברת הנגיף ליילוד (הנגיף עלול לגרום לכשלי נשימה ביילודים). אף שלא נתגלו בעיות בנשים הרות שהשתתפו בניסוי, חיסון נשים בהיריון אינו מומלץ בשלב זה, משום שהיתה קבוצה קטנה למדי של אוכלוסייה זו בין המשתתפות במחקר.

האם גם לגברים כדאי להתחסן? יעילות החיסון בגברים נחקרת כעת. סביר להניח שחיסון זה יוכל לצמצם את התחלואה בסרטן פי הטבעת, בסרטן הפין (איבר הזכרות) ובסרטן הלוע והפה, הנגרמים אף הם בסבירות גבוהה כתוצאה מהדבקה בנגיף הפפילומה, בדרך-כלל בעקבות קיום יחסי מין. מובן שחיסון הגברים יסייע גם בהגנה על הנשים מהדבקה בנגיף במהלך יחסי מין. חברת מרק עורכת בימים אלה ניסוי על מנת לבדוק את יעילות החיסון בגברים, אף שיש מדינות, ובהן אוסטרליה ובריטניה, שאינן ממתינות לתוצאותיו. מכל מקום, בישראל חיסון הגרדסיל מאושר כיום לשימוש לנערות ולנשים בגילי 26-9.

האם יט סכנה בחיסון?

חיסון המיועד לאוכלוסייה בריאה מעורר תמיד חשד רב יותר מאשר תרופה שנועדה לרפא מחלה באדם חולה. תופעות הלוואי, הנסבלות אולי לדידו של מי שאין לו ברירה, הן חמורות בהרבה מנקודת מבטו של מי שרוצה להתחסן בפני מחלה אפשרית עתידית. כך, לדוגמה, במחלת המלנומה ישנו טיפול שתופעת לוואי שלו היא הופעת אזורי עור נטולי פיגמנט (התופעה מכונה vitiligo). בעוד שעבור החולים תופעת לוואי זו מהווה הוכחה ליעילות הטיפול, מובן שחיסון מונע (לאוכלוסייה בריאה) הגורם לתופעת לוואי כה קשה - לא יאושר.

במחקרים לגבי החיסונים החדשים לא נתגלו תופעות לוואי חמורות. התקבלו בעיקר דיווחים על חום חולף או נפיחות קלה במקום ההזרקה. לגבי דיווחים חמורים יותר, לא הוכח קשר סיבתי למתן התרכיב. החוקרים בדקו גם, אם חיסון כנגד ארבעה זני נגיף מסוימים יגרום לעלייה בתחלואה כתוצאה מזני הנגיף האחרים. בזמן המחקר לא נראו עדויות לתופעה כזו, ממצא התואם את המצופה, שכן לא ידוע על תחרות בין הזנים.

אף על פי כן, יש לזכור כי משך הניסויים היה קצר יחסית, ודרושים מחקרים נוספים׳ על מנת להסיק מסקנות ארוכות-טווח יותר.

אמצעים אחרים

ברמת מניעת ההדבקה, ישנן ראיות לכך שאמצעים נוספים (כגון שימוש בקונדומים ומילת גברים) יכולים לצמצם את העברת הנגיף, אם כי יעילות החיסון גבוהה יותר במניעת ההדבקה. ובכל זאת, מכיוון שהחיסון אינו מגן מפני כל זני הנגיף המסוכנים וכן אינו מועיל כנגד הדבקה קיימת, אין הוא מבטל את הצורך בשיטות הסקר המוקדם כגון משטחי צוואר הרחם (Pap smear; ראו תיבה). שילוב השיטות הקודמות עם החיסון החדש מסתמן כדרך המניעה הרצויה: מחקרים הראו, כי דרך המניעה הטובה ביותר היא קבלת תרכיב חיסון נגד הנגיף בגיל העשרה, ובדיקות משטחי צוואר הרחם החל מגיל 25.

מבט לעתיד

החיסון, כאמור, מהווה פריצת דרך רפואית משמעותית. עם זאת, רבות הן השאלות שטרם קיבלו מענה ודורשות מחקר המשך. בראש ובראשונה, יש להמשיך לבחון את בטיחות החיסון. נוסף על כך, יש לבנות מודל מתמטי שיקבע מהו החיסון המיטבי. על מודל כזה להביא בחשבון גורמים רבים: מספר זני הנגיף שכנגדם יפעל החיסון, אוכלוסיית היעד (מין, גיל, אוכלוסיות מיוחדות כגון מדוכאי חיסון), החלבון הנגיפי שעליו מבוסס החיסון (האם לכלול בחיסון גם חלבון נגיפי נוסף?). כמו כן יש לברר באיזו מידה יעיל החיסון כנגד סוגי סרטן נוספים הנגרמים כתוצאה מנגיף הפפילומה.

סוגיית עלות החיסון גם היא קריטית, במיוחד לאור העובדה כי במדינות מתפתחות סרטן צוואר הרחם הוא נפוץ מאוד ותכניות המניעה והסריקה המוקדמת אינן נגישות.

הוזלת מחיר החיסון תתאפשר אם תפותח שיטה לחיסון בלא צורך במחטים (השימוש במחט הזרקה מחייב כוח אדם מיומן וציוד חד־פעמי); בלא צורך בקירור (על מנת לאפשר את הובלת החיסון בלא תנאים מיוחדים); ומתן חד־פעמי של החיסון (במקום הטיפול בשלוש מנות הניתן כיום).

נוסף על כך, יש לבדוק כיצד יפעל החיסון לא רק כמניעה, אלא גם בעידוד למערכת החיסונית כנגד גידול קיים.

בדיקת משטח צוואר הרחם

בדיקת משטח צוואר הרחם (Pap smear) נקראת על שם ממציאה, רופא בשם ג׳ורג' פאפאניקולו (Papanicolaou), שהגה את הרעיון בשנת 1920. בדיקת משטח צוואר הרחם היא בדיקה ציטולוגית, שבה נוטלים דגימת תאים מצוואר הרחם, והתאים נבדקים כדי לגלות אם התחוללו בהם שינויים טרום-ממאירים. ממצאים לא-תקינים של המשטח מחייבים בדיקת קולפוסקופיה (בדיקה של צוואר הרחם באמצעות מיקרוסקופ מיוחד), המאפשרת לאתר את מקור התאים הלא-תקינים. בדיקת משטח צוואר הרחם נערכת כפעם בשנה, לכל אשה המגיעה לביקורת שגרתית אצל רופא הנשים. בארצות-הברית ובמדינות מפותחות אחרות פחת שיעור התמותה מסרטן צוואר הרחם בעשרות אחוזים מאז הונהגה הבדיקה באופן שגרתי. נוסף על בדיקת משטח צוואר הרחם, אפשר לאסוף מצוואר הרחם תאים ולבדוק אם הם מכילים DNA של נגיף הפפילומה. בדיקה זו היא רבת-ערך, שכן היא מאפשרת זיהוי של הנגיף גם אם הוא מצוי במצב רדום ואינו פעיל בעת הבדיקה.

תאים מבדיקת פאפ - לאבחון גידולים בצוואר הרחם. משמאל תאים תקינים, מימין תאים מודבקים בנגיפי פפילומה.
המקור: Ed Uthman, Flicker

תודה לפרופ׳ סטלה מיטרני־רוזנבאום על הערותיה המועילות.

דינה וולודרסקי היא תלמידת מחקר במכון ויצמן.


לקריאה נוספת

Your disease Risk - אתר מידע למניעת מחלות מטעם מרכז סייטמן לחקר הסרטן

דף סרטן צוואר הרחם באתר NCI, המכון הלאומי לחקר הסרטן בארצות-הברית

מרכז המידע של ארגון הבריאות העולמי (WHO/ICO) על HPV וסרטן צוואר הרחם

אתר על סרטן צוואר הרחם מטעם חברת מרק, יצרנית גרדסיל


פורסם בגליליאו 115, מרץ 2008