קבוצת חוקרים מהטכניון, פיתחו שיטה המאפשרת לשלוט ב"שחיינים מיקרוסקופיים" שיכולים לנוע באופן עצמאי, לצורך לכידה של תאים והובלתם לצורכי אנליזה, בנוסף להחדרה מדויקת של חלקיקים לתוך התאים. השיטה מתאימה לעבודה עם סוגים שונים של חלקיקים ותאים, והיא עשויה לשמש בעתיד לחקר של תאים בודדים, ולהובלה ולשחרור מדויק של תרופות בגוף האדם.

מיקרו-שחיינים הם חלקיקים קטנים, לרוב בגודל שאינו עולה על עשירית מעובי של שערה, אשר יכולים לנוע בצורה עצמאית בתוך סביבה נוזלית כלשהי. ישנם סוגים שונים של מיקרו-שחיינים, חלקם מונעים על ידי שדות חיצוניים, כגון שדות חשמליים או מגנטיים (ראו פוסט קודם שכתבנו על שחיינים מגנטיים [1]), ואחרים המונעים על ידי תגובות כימיות מקומיות. כאן נספר על הסוג הנפוץ ביותר של מיקרו-שחיינים, אשר נקראים חלקיקי יאנוס (Janus), על שם האל בעל שני הפנים במיתולוגיה הרומית.

חלקיקי יאנוס הם חלקיקים כדוריים המורכבים משני חצאים בעלי תכונות כימיות או חשמליות שונות, מה שמאפשר להם להגיב לאילוצים חיצוניים בצורות שונות ומפתיעות. חלקיקים אלו התגלו לראשונה במהלך שנות ה-80, והם שימשו בעיקר כתוספים בתהליכי ייצור כימיים, כמו ייצוב תחליבים שונים בתעשיית הקוסמטיקה. החלקיקים הראשונים היו עשויים מזכוכית או מפלסטיק, כאשר צד אחד שלהם היה עובר טיפול כימי, שהיה הופך אותו להידרופובי (דוחה מים [2]) בעוד הצד השני נותר הידרופילי (אוהב מים). חלקיקים עם תכונות כאלו יכולים לחבר בין שמן למים ולהתארגן ספונטנית למבנים מרחביים שונים, בצורה המזכירה היווצרות ממברנות של תאים ביולוגיים.

עם הזמן התגלה שחלקיקי יאנוס יכולים להניע את עצמם על ידי תגובה כימית א-סימטרית. כלומר, כזאת שמתרחשת רק בצד אחד של החלקיק. דוגמה לכך הם חלקיקי יאנוס העשויים צורן דו-חמצני (סיליקה) עם ציפוי פלטינה על כחצי מפני השטח שלהם [3].: כאשר טובלים חלקיקים אלו במי חמצן, ציפוי הפלטינה (בניגוד לסיליקה) מגיב כימית עם מי החמצן, ונוצרת תגובה כימית א-סימטרית (רק בצד של הפלטינה) שמניעה אותם במסלולים שונים. תגלית זאת חשפה את הפוטנציאל לשימוש בחלקיקים אלו בתור מיקרו-שחיינים בעלי יכולת הנעה עצמית, ושיטות הנעה חדשות לא איחרו להגיע. כיום, בנוסף לתגובות כימיות, חלקיקי יאנוס יכולים להיות מונעים על ידי שדות חשמליים ומגנטיים, אולטרסאונד, ואף על ידי אלומת אור כמו לייזר.

העניין הרב במיקרו שחיינים נובע, בין היתר, מהפוטנציאל שלהם לשמש לאבחון מחלות, להובלה ממוקדת של תרופות ישירות לאזורים נגועים, וככלי מחקרי בביולוגיה מולקולרית. אך ישנן עדיין הרבה שאלות פתוחות בתחום מחקר זה. למשל: איך ניתן לשלוט בצורה פשוטה ומדויקת בתנועת השחיינים? איך ניתן להצמיד תרופות או מטען אחר אל השחיינים ולשחרר אותו בהגעה ליעד? איך ניתן לשלוט בו זמנית על מספר רב של שחיינים? 

במאמר חדש [4] שפורסם בכתב העת היוקרתי Science Advances, פיתחו החוקרים ד"ר יואה וו וד"ר אפו פו מקבוצת המחקר של פרופ' גלעד יוסיפון מהטכניון, שיטה חדשנית לשימוש בחלקיקי יאנוס מיוחדים המציעה תשובות לחלק משאלות חשובות אלו.

מאמר זה התבסס על עבודה קודמת של אותה קבוצת מחקר [5], בה הראו החוקרים שניתן להשתמש בנטייה של חלקיקים מבודדים לנוע בתוך שדה חשמלי לא אחיד (תופעה שנקראת די-אלקטרופורזה) כדי ללכוד חלקיקי מטען (למשל תרופות) אל פני המיקרו-שחיינים, ולשחרר אותם על פי דרישה. היכולת לשחרור ממוקד ומדויק של תרופות חשובה מאד גם כדי למזער את תופעות הלוואי של התרופה באתרים בגוף שאליהם היא לא מיועדת, וגם כדי לחסוך בכמות התרופה הניתנת.

במחקר זה, במקום לייצר שדה חשמלי לא אחיד ומסובך להנעת החלקיקים, החוקרים השתמשו בשדה אחיד ופשוט שפועל על חלקיקי יאנוס המורכבים בחלקם מחומר מוליך ובחלקם מחומר מבודד, כדי להשרות מטען על פני חלקיקים אלו וליצור שדה חשמלי לא אחיד רק בסביבתם המיידית. החוקרים הראו שעל ידי שליטה בתדירות של שדה חשמלי יחיד, ניתן בו-זמנית גם ללכוד ולשחרר חלקיקים וגם להניע את המיקרו-שחיינים בסביבה נוזלית. כדי להדגים את יעילות השיטה, החוקרים השתמשו במיקרו-שחיינים כדי ללכוד חיידקי E. coli, להחדיר חלקיקים לתוכם ללא פגיעה משמעותית בחיידקים, ולהניע את החיידקים בסוף התהליך למיקום אחר להמשך אנליזה. 

שיטה זאת אינה מוגבלת רק לחיידקים, וניתן ליישם אותה על מגוון רחב של תאים וחלקיקים, כתלות בתכונות הכימיות והחשמליות שלהם. המחקר החדש מדגים יישום ישיר של שיטת הנעה זאת, ויש לו פוטנציאל רב לשמש בעתיד לטיפול ומחקר של תאים ביולוגיים בודדים בסביבה מימית, כמו זאת השוררת בגוף האדם.

האל יאנוס מתואר כבעל שני פנים, אחד מביט לעבר והשני לעתיד, ונראה שהמיקרו-שחיינים הנקראים על שמו, בהחלט מניעים אותנו אל עבר העתיד.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] פוסט על מיקרו-שחיינים מגנטיים במדע גדול בקטנה

[2] פוסט על חומרים הידרופוביים במדע גדול בקטנה

[3] מאמר על חלקיקי יאנוס מצופים פלטינה

[4] קישור למאמר המקורי Active particles as mobile microelectrodes for selective bacteria electroporation and transport

[5] קישור לעבודה הקודמת של אותה קבוצת מחקר