ד"ר מדלן לנצ'סטר, הראשונה שגילתה כיצד לגדל במעבדה מיני מוחות אנושיים | תמונה: Screen Shot labtube.tv
במעבדות רבות בעולם כבר מסוגלים כיום לגדל מוחות אנושיים זעירים ומפושטים בצלחות פטרי – גושי נוירונים בעלי מיליוני תאים שבינתיים מדמים את השלבים הראשונים של התפתחות המוח. לראשונה התגלתה הטכנולוגיה ב-2013 ומאז היא מתפתחת בקצב מסחרר.
היכן כדאי לעצור את המחקר בתחום? האם נוכל להבחין מתי כבר יש שם תודעה?
מוח אנושי קשה מאוד לחקור, שהרי לא נרצה להחדיר לתוכו מכשור שיאפשר לנו ללמוד מה בדיוק קורה שם. נכון, ציוד ההדמיה הרפואי השתכלל בשנים האחרונות ומאפשר לחוקרים צפייה טובה יותר בפעילויות השונות במוח. אבל מה נעשה אם נרצה למשל ללמוד על הביו-כימיה של תאי המוח – על הגנים שפועלים ומייצרים חלבונים? אין כיום דרך סבירה ואתית להגיע למעמקי המוח ולבדוק, לא כל שכן למוחו של עובר צעיר. אפשר אמנם להיעזר במחקרים על מוחות של עכברים, מכיוון שהם דומים במידה מסוימת לאלו שלנו, אבל בכל זאת, מורכבותו של המוח האנושי כה גדולה. איך נוכל לחקור את התהליכים העומדים מאחורי תופעות כמו אוטיזם, אפילפסיה או סכיזופרניה?
אורגנואיד שיוצר במעבדתה של ד"ר לנצ'סטר, מפתחת השיטה | תמונה: Madeline Lancaster
ד"ר מדלן לנצ'סטר מהאקדמיה האוסטרית למדעים בווינה מצאה פתרון שצובר מאז תאוצה. היא ושותפיה למחקר (Nature, 2013) ניצלו את הפיתוחים החדישים בטכנולוגיות תאי הגזע המאפשרים לקחת, למשל, תאי עור של אדם ו"לתכנת" אותם מחדש כך שיפעלו כמו תאי גזע עובריים. כלומר, תאי העור המתוכנתים יתפתחו לכמעט כל סוג אפשרי של תא. לנצ'סטר ועמיתיה למדו אילו חומרים נדרש לספק לתאי גזע כאלו כדי לעודד אותם להתרבות, ובהמשך גם להפוך למגוון סוגי תאי מוח שביחד יוצרים רקמה שלמה.
כך הם הצליחו לגדל בצלחות הפטרי שבמעבדה מודלים מוקטנים ומנוונים של מוח – "אורגנואידים" (Organoid). לא מדובר במוח שלם, הכולל כ-86 מיליארדי נוירונים, אלא בגוש נוירונים המגיע לרדיוס כ-4 מילימטרים ומונה רק כשניים עד שלושה מיליוני תאים. אלו למעשה מדמים את השלבים הראשונים של התפתחות המוח בחודשים הראשונים של ההיריון. ועם המודלים המפושטים האלו כבר אין שום בעיה לערוך כל מחקר שיעלה על הדעת – לחתוך אותם, לנתח אותם ולערוך עליהם מניפולציות. כך נולד כלי חדש ועוצמתי בחקר המוח.
"אורגנואידים" – מיני מוחות מנוונים בצלחת פטרי
תהליך ההתפתחות של המוח האנושי מורכב במיוחד והוא מתוזמר ברחם בקפדנות רבה לאורך חודשי ההיריון, כך שבסופו המוחות האנושיים דומים מאוד זה לזה. החוקרים במעבדות לומדים לאט לאט כיצד לחקות את התהליכים המורכבים האלו. בינתיים, הודות לחומרים שהחוקרים מספקים להם, האורגנואידים נבנים ומתפתחים תוך סידור עצמי, בלא הנחיות מפורטות ומדויקות, כך שלא תמיד ניתן לחזות כיצד הם יארגנו את המבנה הפנימי שלהם.
גושי הנוירונים האלו כמובן אינם מצליחים לחקות את המורכבות של המוח אבל הם מדמים את המוח מהבחינה הכימית, ויכולים לעזור מאוד בהבנת השורשים הביוכימיים של מגוון תופעות נוירולוגיות שעד לאחרונה היה קשה מאוד לפענח. למשל, כדי להבין טוב יותר את התהליכים המובילים לאוטיזים, גידלה ד"ר ג'סיקה מריאני מאוניברסיטת ייל שבארה"ב אורגנואידים שמקורם בתאי גזע שפותחו מתאי עור של אנשים על הקשת האוטיסטית (Cell, 2015). כך, ד"ר מריאני ושותפיה גילו שאורגנואיד כזה שונה מעט מאורגנואיד שנוצר מתאי גזע רגילים – התגלה בו ייצור מוגבר של נוירונים מעכבים – נוירונים שמרבים להפריש מוליכים עצביים שמונעים את "יריית" (הפעלת) הנוירון.
גם את השפעות נגיף הזיקה, הגורם לילדים להיוולד עם ראש קטן, אורגנואידים שכאלו עזרו לפענח. מספר קבוצות מחקר גידלו אורגנואידים וחשפו אותם לנגיף כבר בתחילת התפתחותם. לא רק שהאורגנואידים היו בסופו של דבר קטנים יחסית בהשוואה לאורגנואידים "נקיים", אלא שפחות תאים גדלו בהם וזה כתוצאה מתמותת תאים.
קשה בלי חמצן
אמרנו כבר שהאורגנואידים מתפתחים בתהליכים של ארגון עצמי – תאי הגזע מתמיינים כאילו מעצמם לסוגי התאים השונים ולמבנים השונים של האורגנואיד. אבל יש כמה סוגים של תאים שהחוקרים עדיין לא למדו כיצד לגרום לאורגנואיד לפתח. אחד מהם הוא כלי דם. באורגנואידים הקיימים כיום לא מתפתחים כלי דם שיכולים להוליך חומרים, כמו למשל חמצן, אל מעמקי גוש הנוירונים.
המשמעות של זה היא קריטית. למעשה, בינתיים זה בדיוק מה שמונע את המשך ההתפתחות שלהם. כשחמצן לא מצליח להגיע לתאים שבמעמקיו, התאים האלו פשוט גוועים. כך שהאורגנואדים הקיימים כיום מסוגלים להתפתח במשך מספר שבועות בלבד עד שהם מגיעים לשיאם, אבל אינם שורדים בינתיים מעבר לכך.
תמונה: Kurzon/Wikipedia/PD
עם זאת, כנראה שזה רק בינתיים, והאתגרים פתירים שהרי המרוץ בעיצומו ומעבדות רבות בעולם משתתפות בו. למשל, צוות חוקרים בהובלת פרופ' פאולה ארלוטה מאוניברסיטת הרווארד שבארה"ב שינה קצת את התהליכים המקובלים לגידול אורגנואידים (Nature, 2017), והצליח להאט את קצב ההתפתחות שלהם. אמנם כלי דם לא התפתחו באורגנואידים, אך קצב ההתפתחות המואט אפשר לתאים לשרוד זמן ממושך יותר – הם שרדו אפילו תשעה חודשים.
פרופ' ארלוטה ועמיתיה גילו באורגנואידים הבוגרים שלהם רמת מורכבות שלא נצפתה קודם לכן. התאים שלהם הצליחו לחבור ביניהם וליצור רשתות נוירונים פנימיות, והחלו אף להתפתח תאים הרגישים לאור. כך שלמעשה פרופ' ארלוטה ושותפיה הצליחו לפתח לראשונה אורגנואיד הקולט גירויים מהסביבה ומגיב להם.
ממש לאחרונה, באפריל השנה, פרופ' פרד גייג' ממכון סאלק למחקרים ביולוגיים שבקליפורניה, ארה"ב מצא דרך לאפשר לכלי דם להתפתח בתוך האורגנואיד ובכך לאפשר לו לשרוד זמן ממושך הרבה יותר. הוא השתיל את האורגנואיד שפיתח במוחו של עכבר בוגר (Nature Biotechnology, 2018). האורגנואיד, שנטמע במוח העכבר השתלב ברשתות הנוירונים הקיימות בסביבתו וגם כלי הדם ממוחו של העכבר חדרו לארגנואיד והשתלבו בו. זו הפעם הראשונה שאורגנואידים מתפתחים בסביבה שונה מצלחות המעבדה וניכר שבסביבה החדשה הם מצליחים לשרוד זמן רב יותר, ולהגיע לרמת מורכבות גבוהה יותר. נראה שאורגנואידים כאלו כבר יוכלו להמשיך להתפתח לאורך זמן ממושך. לאיזו רמת תחכום הם עוד יוכלו להגיע? ומה ההשלכות האתיות של גידול עכבר עם מוח שחלקו אנושי?
לקראת דיון ציבורי
נשמע מפחיד? מעורר אסוציאציות של מוחות עצמאיים במעבדות שמפתחים מחשבות ואישיות? מדענים טוענים שאין מה לחשוש. פרופ' יורגן קנובליש מהאקדמיה האוסטרית למדעים בווינה, שבהנחייתו פיתחה לראשונה ד"ר לנצ'סטר את האורגנואידים הראשונים, מסביר במאמר שכתב למגזין "סיינטיפיק אמריקן" שהמרחק בין האורגנואידים לבין מוחות המסוגלים לפתח מחשבות ותודעה הוא עצום. למעשה המרחק כה עצום שלא נוכל לגשר עליו בטווח הנראה לעין. לדבריו, כיוון שמרבית האורגנואידים אינם מסוגלים לקלוט גירויים חושיים מהסביבה וגם לא לעבד אותם, הסבירות שהם יצליחו להתפתח ליצורים בעלי תודעה היא אפסית. לדבריו, מדובר רק ברקמות תאים שמחקות את התפקוד המולקולרי והתאי של רקמות המוח.
פרופ' פאולה ארלוטה
עם זאת, קבוצת חוקרים מהמובילים בתחום פרסמה בסוף אפריל השנה מאמר דעה הסוקר את הסוגיות האתיות הכרוכות במחקר שכזה (Nature, 2018). אותם חוקרים מרגישים שבזמן שהם מקדמים את המחקר בתחום, חסרים להם כללים אתיים המגדירים את גבולות המחקר. שניים מהחוקרים האלו הם פרופ' פאולה ארלוטה מהווארד, שהזכרנו, ופרופ' ג'ורג' צ'רץ', מהחוקרים המובילים בעולם בתחום הביולוגיה הסינטתית, גם הוא מאוניברסיטת הווארד.
עיקר השאלות שהם מעלים במאמרם קשורות לאפשרויות העתידיות – אולי בכל זאת תתפתח שם התחלה של תודעה. הם מדגישים שכיום אפשרות כזאת אינה נראית באופק, אך כיוון שהמחקר בתחום הולך ומתקדם במהירות, חשוב מבעוד מועד לחשוב על הסוגיות האלו. כיצד, לדוגמה, נצטרך להתייחס לאורגנואידים שכאלו אם בעתיד הם יצליחו לפתח חישה מסוימת, או אפילו תחושת כאב. האם נצטרך בעתיד לראות בהם ישויות שצריך להתחשב בתחושותיהן? שאלות נוספות קשורות לבעלי החיים שבתוכם מתחילים כעת להשתיל אורגנואידים שכאלו: מתי נגדיר שיצור כזה כבר דומה יתר על המידה לבן אדם?
ואיפה בכלל כדאי שנעצור את המחקר בתחום? האם נוכל להבחין מתי כבר יש שם תודעה? בינתיים אנחנו אפילו לא יודעים מהי תודעה, ואיך היא מתבטאת ברמה הפיזית.