הדרך לאנזימי כולינאסטרז עוברת בננו-צינוריות

חוקרות ממעבדתה של פרופ' גילי ביסקר בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב הראו במחקר שפורסם לאחרונה בעיתון Small, כיצד ניתן לעקוב אחרי פעילות אנזימי כולינאסטרז וגם לגלות נוכחות של מעכבים של אותם אנזימים. המעקב נעשה בדגימות דם באמצעות ננו-צינוריות מפחמן המוחדרות לדגימה.

המחקר, בהנחיית פרופ' ביסקר, הראה בפעם הראשונה שימוש בננוסנסורים שפולטים אור בטווח האינפרה-אדום הקרוב ככלי לניטור פעילות אנזימים ו/או עיכובם בסביבות ביולוגיות מורכבות, כמו דם. טכנולוגיה זו פותחת אפשרויות רבות לפיתוח מושכל של ננוסנסורים אופטיים לביו-סמנים (ביומרקרים) חשובים בדגימות בעלות רלוונטיות קלינית.

אצטילכולין הוא מוליך עצבי המשמש כבקר התנועה של מערכת העצבים ואחראי על העברת אותות בין המוח לשרירים. אצטילכולין מאפשר לזוז, ללמוד ולזכור. הוא חיוני לפעילויות יומיומית כמו ספורט, למידה ואפילו שמירה על דופק תקין. ככלל, אצטילכולין חשוב בשמירה על הסנכרון בין המוח לגוף.

לאחר שאצטילכולין מעביר את האות העצבי שלו באמצעות היקשרות לקולטן המטרה בתאי העצב או בצמתים של תאי עצב ושריר, עליו לעבור במהירות חיתוך על ידי אנזים הנקרא אצטילכולינאסטרז כדי למנוע סיכון של עירור יתר של הקולטנים. הפירוק הביולוגי הזה קריטי כמו הקישור עצמו, על מנת להבטיח שפעילות השרירים תתרחש בדיוק בזמן המתאים ובצורה מווסתת.

אנזימים מסוג כולינאסטרז אחראים לפירוקו של אצטילכולין למולקולת כולין, מהן ניתן אחר כך לייצר מולקולות חדשות של אצטילכולין. כאשר יש עיכוב או האטה בפעילות של האנזימים הללו, ריכוז האצטילכולין עולה יתר על המידה ויכול לגרום לשרשרת של בעיות בריאותיות, החל מהאטה בקצב הלב עד שיתוק, ואפילו במקרים קיצוניים, למוות.

מעכבים של אנזימי כולינאסטרז יכולים להימצא בנשק כימי, לדוגמה גז העצבים סרין, וכן בחלק מחומרי ההדברה המשמשים בחקלאות. כאשר חומרי ההדברה הללו מעכבים את פעילות אנזימי הכולינאסטרז, הם פוגעים במזיקים אך גם בבעלי חיים ובבני אדם שנחשפו לחומר. לעומת זאת, מינונים נמוכים של מעכבי כולינאסטרז משמשים לטיפול במחלות כמו אלצהיימר, פרקינסון וחולשת שרירים. לכן, מעקב אחרי פעילות ועיכוב אנזימים מסוג כולינאסטרז הינו בעל חשיבות גדולה.

במחקר נעשה ניטור הפעילות האנזימטית וגילוי מעכבים של כולינאסטרז באמצעות ננו-צינוריות פחמניות בדגימות דם. לננו-צינוריות מבנה דמוי גליל חלול שקוטרו 1-2 ננומטר (הקטן פי 100,000 מעובי שערה אנושית) ואורכו מאות ננומטרים והן פולטות פלואורסנציה (אור) בטווח האינפרה-אדום הקרוב, בו דגימות ביולוגיות הינן בדרך כלל שקופות. הננו-צינוריות אינן רעילות וקל יחסית לשפעל אותן על ידי עטיפת פני השטח שלהן באמצעות מולקולות שונות.

שפעול הננו-צינוריות ע״י מריסטואילכולין, שינוי הפלואורסנציה של הננו-צינוריות בעקבות פעילות האנזים כולינאסטרז וחוסר השינוי בנוכחות מעכבים. איור: אונ' ת"א

במחקר, הננו-צינוריות שופעלו על ידי מולקולות מריסטואילכולין, המחקות את מולקולת האצטילכולין הטבעית בכך שיש בהן אתר מטרה זהה לזה של האצטילכולין הטבעי. הכולינאסטרז מזהה את אתר המטרה במריסטואילכולין וכתוצאה מכך, מולקולת המריסטואילכולין, בדיוק כמו אצטילכולין, יכולה לעבור פירוק על ידי האנזים לשתי מולקולות – אחת מהן היא כולין.

כאשר החיישן המבוסס על הננו-צינוריות הפחמניות שעטופות מריסטואילכולין בא במגע עם דגימת דם המכילה באופן טבעי את האנזים כולינאסטרז, נוצר שינוי בעוצמת האור שפולטות הננו-צינוריות בטווח האינפרה-אדום הקרוב וכך הן מהוות כלי לניטור ישיר של פעילות האנזים. את השינוי בעוצמת פלואורסנציה ניתן לכמת על ידי מיקרוסקופ פלואורסנטי וגלאי הרגיש לטווח האינפרה-אדום, ובכך להסיק מהו ריכוז הכולינאסטרז הפעיל בדגימה. בנוסף, ניתן לגלות נוכחות של מעכבים של האנזים, כמו חומרי הדברה (זרחנים אורגניים), כאשר לא הודגם שינוי בפליטת האור של הננוסנסורים.

מרכיב עיקרי של המחקר הוא יעילותן של הננו-צינוריות הפחמניות בניטור הפעילות וגילוי מעכבים של אנזימים מסוג כולינאסטרז אפילו בנוזלים ביולוגים מורכבים כמו דם, המכיל מרכיבים רבים שהיו יכולים להפריע לעבודת החיישן. דבר זה מתאפשר בזכות התכונות האופטיות הייחודיות של הננו-צינוריות שפולטות פלואורסנציה בטווח האינפרה-אדום הקרוב, ובזכות הבחירה המושכלת במולקולות שעוטפות את הננו-צינוריות המחקות את האתר הפעיל של אצטילכולין. כיוון שזהו אתר המטרה הטבעי של האנזים, הדבר מבטיח את הרגישות והספציפיות של הסנסור.