© Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library ‫הטכניון – מכון טכנולוגי לישראל‬ Technion – Israel Institute of Technology ‫ספריות הטכניון‬ The Technion Libraries ‫בית הספר ללימודי מוסמכים ע"ש ארווין וג'ואן ג'ייקובס‬ Irwin and Joan Jacobs Graduate School © All rights reserved This work, in whole or in part, may not be copied (in any media), printed, translated, stored in a retrieval system, transmitted via the internet or other electronic means, except for "fair use" of brief quotations for academic instruction, criticism, or research purposes only. Commercial use of this material is completely prohibited. © ‫כל הזכויות שמורות‬ ‫ חיבור זה או‬,‫ להפיץ באינטרנט‬,‫ לאחסן במאגר מידע‬,‫ לתרגם‬,‫ להדפיס‬,(‫אין להעתיק )במדיה כלשהי‬ ‫ ביקורת או‬,‫ הוראה‬,‫ למעט "שימוש הוגן" בקטעים קצרים מן החיבור למטרות לימוד‬,‫כל חלק ממנו‬ .‫ שימוש מסחרי בחומר הכלול בחיבור זה אסור בהחלט‬.‫מחקר‬ ‫מחלת הסרטן כוללת קבוצה רחבה של מחלות הקשורות בגדילה של גידול סרטני‪ .‬באופן רגיל‪ ,‬תא‬ ‫גדל‪ ,‬מתחלק‪ ,‬פועל ולאחר מכן מת‪ .‬תאי סרטן גדלים באופן לא נורמלי כאשר הם גדלים באופן לא‬ ‫מבוקר‪ .‬הם מתנהגים שונה מתאים בריאים ע"י התחלקות ופלישה לאזורים אחרים כתוצאה מביטוי‬ ‫גנים חריג‪ .‬ישנם שני סוג גידולים‪ :‬גידול שפיר וגידול ממאיר‪ .‬בעוד גידולים שפירים הינם ניתנים‬ ‫לריפוי‪ ,‬גידולים ממאירים מהווים סכנת חיים ועלולים להתפשט לאזורים שונים בגוף‪.‬התפשטות הסרטן‬ ‫לאיברים שונים באזורי גוף שונים נקראת סרטן מטאסטטי‪.‬‬ ‫ניתן לראות את הסרטן המטאסטטי כתהליך בעל שלושה שלבים‪ .‬בתהליך המטאסטזיס‪ ,‬תאי סרטן‬ ‫מהגידול הראשוני נודדים מהגידול ומתפשטים דרך הדם או דרך המערכת הלימפתית לאיברים שונים‬ ‫בגוף‪ .‬שלב זה יכול להיחשב כשלב הראשון בתהליך‪ .‬בשלב השני תאי הסרטן יכולים לחדור אל תוך‬ ‫הרקמה באזורים שונים בגוף תוך התגברות על תגובת המערכת החיסונית הטבעית‪ .‬בשלב השלישי‪,‬‬ ‫הגידול עובר פרוליפרציה ומייצר כלי דם הדואגים לאספקת דם לאזור הגידול עד ליצרית גידול משני‬ ‫או סרטן מטאסטטי‪.‬‬ ‫ישנם יותר מ־‪ 200‬סוגי סרטן שונים שמקורם ב־‪ 60‬איברים שונים‪ .‬ניתוח סטטיסטי של מחלת הסרטן‬ ‫מראה כי הסרטן גורם למוות אחד מכל ארבעה מקרי מוות בארה"ב‪ 90% .‬ממקרי המוות ממחלת‬ ‫הסטן הם תוצאה של סרטן מטאסטטי‪.‬מחלת הסרטן לא רק גובה מחיר מבריאות האדם‪ ,‬אלא גם‬ ‫משפיעה על הסביבה הסוציו־אקונומית‪ .‬מחלת הסרטן מהווה פתח לשדה מחקר נרחב החל מהבנת‬ ‫מנגנון הפעולה‪ ,‬חשיפת חותמים ביולוגים‪ ,‬פיתוח תרופות ועד לרפואה מותאמת אישית‪.‬‬ ‫התאים עוברים תהליך הסתגלות )אדפטציה( לסביבה ספציפית דרך שינויים במבנה ובתהליך העברת‬ ‫אותות וחלקיקים תוך־תאיים ע"י שינוי של התכונות בסביבה המקומית כדוגמת הצמיגות והאלסטיות‪.‬‬ ‫תכונות הצמיגות והאלסטיות ידועות כראולוגיה‪ .‬בחינה של המרכיבים התוך תאיים באופן פסיבי‬ ‫או ע"י תווך תרמי עוזרת בקביעת התכונות המקומיות בתא וידועה כביו־מיקרו־ראלוגיה‪ .‬השינויים‬ ‫בתכונות הראולוגיות בתוך התא יכולים להשפיע על התפקוד הביולוגי של התא‪.‬‬ ‫הסיבה העיקרית לכך שסרטן מטאסטאטי מפתח גידול משני במיקום מרוחק ממקום הגידול העיקרי‬ ‫עדיין לא ידועה‪ .‬התאים המטאסטטיים עוברים שינויים מורפולוגיים ושינויים בהעברת הסיגנלים‬ ‫בתהליך ההסתגלות לסביבה החדשה ויוצרים גידול משני‪.‬‬ ‫ניתן להשתמש בביו־מיקרו־ראולוגיה‬ ‫לבחינת המרכיבים התוך־תאיים בתאים אלו לשם הבנת מנגנון העברת החלקיקים והסיגנלים בסביבה‬ ‫התוך־תאית ולאפיין את הפוטנציאל המטאסטטי‪ .‬מעקב אחר חלקיקים תוך תאיים יכול לסייע להעריך‬ ‫את השינויים בתוך התא באופן פסיבי בזמן אמת‪.‬‬ ‫‪i‬‬ ‫‪© Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library‬‬ ‫תקציר‬ ‫כאשר תנועת החלקיק הינה פסיבית‪ .‬התנועה הפסיבית מקבלת תווך תרמי וידועה גם כתנועה‬ ‫בראונית‪ .‬תנועה זו היא פסיבית בטבע‪ .‬היא מתרחשת כתוצאה מהתנגשות חלקיקים במדיום היוצרת‬ ‫אנרגיית חום‪ .‬בתא‪ ,‬החלקיקים התוך תאיים יכולים לעבור תנועה בראונית וישירה בו זמנית הנגרמת‬ ‫בד"כ כתוצאה ממקורות אנרגיה תוך תאיים וידועה כתנועה אקטיבית‪ .‬בנוסף לכך‪ ,‬חלקיקים יכולים‬ ‫לעבור תנועה בראונית ולחזור למקום ספציפי פעמים רבות וליצור מלכודות או תנועה "כלואה"‪ .‬אלו‬ ‫הן שלוש אופני התנועה הבסיסיים‪.‬‬ ‫על מנת לקבל את התכונות הראולוגיות ע"י מעקב אחר חלקיקים תוך תאיים‪ ,‬שיטה לקלסיפיקציה של‬ ‫תנועת חלקיקים הינה אחד הצעדים החשובים ביותר מכיוון שרק תנועה פסיבית יכולה לתת תובנה‬ ‫לתכונות הראולוגיות‪.‬‬ ‫ישנם כלים כגון ‪ mean square displacement (MSD), directional persistence‬לשם סווג התנועה‬ ‫עבור חלקיק בודד‪ ,‬אך כלים אלו נכשלים פעמים רבות בסווג התנועה‪ .‬בעבודה זו‪ ,‬אנו מעוניינים‬ ‫לפתח כלי לסווג תנועת החלקיק בעיקר לתנועה אקטיבית ופסיבית‪ .‬המודל המפותח כאן בוחן‬ ‫התנהגות לא גאוסית‪ .‬תנועה בראונית הינה פסיבית בטבע בעוד תנועה אקטיבית שקולה להליכה‬ ‫רנדומלית‪ .‬בהליכה רנדומלית )‪ (random walk‬התזוזה בזמן מסויים מוערכת כגאוסית‪ .‬מסיבה זו‬ ‫אנו יכולים לסווג את התנועה כתלות בסטייה מהפרופיל הגאוסי‪ .‬כאן אנו בוחנים את ההתכנות של‬ ‫)‪ Skew, Kurtosis, Non Gaussian Parameter (NGP‬לשם בחינת הסטייה מהפרופיל הגאוסי וסווג‬ ‫התנועה‪ .‬המסלול של התנועה התלת מימדית נצפה לרוב ע"י תמונות דו־מימדיות‪ ,‬לכן אנו מקבלים‬ ‫מסלול דו מימדי ויש לנהוג בזהירות כאשר באים להשתמש ב ‪ , Skew, Kurtosis‬ו ‪ NGP‬הפועלים על‬ ‫משתנה יחיד‪ .‬מסיבה זו פותחו שני אלגוריתמים המבוססים על בדיקת הסטייה מהפרופיל הגאוסי‪.‬‬ ‫האלגוריתמים נתמכים ע"י הספרות הקיימת בנושא תנועה בראונית‪.‬‬ ‫האלגוריתמים נבדקו על מסלולים של אופני תנועה בסיסיים‪ .‬ע"י סימולציה בתוכנת ‪,MATLAB‬‬ ‫ונבנו מסלולים על סמך התכונות של אופני התנועה הבסיסיים‪ .‬הסימולציות מחקות את המסלולים‬ ‫המורכבים שהתקבלו באופן נסיוני‪ .‬שלושת אופני התנועה הבסיסיים‪ ,‬בראונית‪ ,‬כלואה ואקטיבית‪,‬‬ ‫נשלטים ע"י הפרמטרים המתאימים להם‪ .‬פרמטרים אלו שולטים על אופי מסלול החלקיק והעקבה‬ ‫שלו‪.‬התוצאות הצפויות בוטאו בהתחלה ע"י לקיחה בחשבון של התכונות של אופני התנועה הבסיסיים‪.‬‬ ‫לאחר מכן האלגוריתמים הופעלו על תוצאות הסימולציה ובד"כ צפו את סוג התנועה‪ ,‬כך התוצאות‬ ‫אוששו‪ .‬בנוסף לכך‪ ,‬על מנת להפוך את המודל ליותר רובוסטי‪ ,‬האלגוריתמים נבדקו על מסלולים ע"י‬ ‫שינוי הפרמטרים של התנועה ששולטים על אופני התנועה הבסיסיים‪ .‬לאחר שינוי הפרמטרים נעשתה‬ ‫סימולציה מחודשת של המסלולים‪ .‬מסלולים אלו הוכנסו לתוך המודל‪.‬‬ ‫נמצא כי ה ‪ NGP‬יכול לסווג את סוג התנועה בצורה אפקטיבית‪ ,‬בעוד ‪ Skew‬ו ‪ Kurtosis‬נכשלו‬ ‫בזיהוי תנועה אקטיבית‪ .‬מכיוון שיש תנועה בראונית בנוסף לתנועה הישירה‪ ,‬התנועה זוהתה כתנועה‬ ‫בראונית‪.‬‬ ‫לכן‪ ,‬ניתן להשתמש ב ‪ NGP‬לשם סווג תנועה פסיבית של חלקיקים ואפיון תכונות‬ ‫ראולוגיות של תאים מטאסטטיים‪ .‬ניתן להשתמש במודל זה גם בהקשרים כלליים יותר לשם סווג‬ ‫תנועת חלקיקים ע"י ניתוח מסלול התנועה‪.‬‬ ‫החלק השני של הפרוייקט נועד לפתח תרופה חדשה לשם הוזלת הטיפול במחלת הסרטן ע"י שינוי‬ ‫קל באחת השיטות‪ .‬המחיר של הטיפול בסרטן גבוה מאוד אך עם זאת אינו מבטיח ‪ 100%‬הצלחה‪.‬‬ ‫ישנן שיטות רבות לטיפול בסרטן הדורשות שלב טיפול אחד כגון כימותרפיה ושיטות הדורשות שני‬ ‫‪ii‬‬ ‫‪© Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library‬‬ ‫את התכונות הראולוגיות של התא וסביבות אחרות ניתן לקבל ממשוואת סטוקס־איינשטיין־סאטרלנד‬ ‫כאן אנו מעוניינים להפוך את ‪ ADEPT‬לשיטה שמושית יותר מבחינת עלות‪ ADEPT .‬עושה שימוש‬ ‫בנוגדנים‪ ,‬בעיקר מונוקלונליים‪ .‬נוגדנים הינם קשים לייצור ולכן מעלים את עלות הטיפול‪ .‬ע"י מחזור‬ ‫הנוגדנים ניתן להפחית את עלות הייצור וכך גם את עלות הטיפול‪ .‬ל ‪ ADEPT‬יש שני מודולים־‬ ‫מודול דיאגנוסטי ומודול טיפולי‪ .‬מודול דיאגנוסטי מזהה את הסרטן ע"י שימוש בנוגדנים אליהם‬ ‫מחובר אנזים‪ .‬המודול הטיפולי מורכב מתרופה המופעלת בקרבת תא סרטני ע"י האנזים של המודול‬ ‫הדיאגנוסטי‪.‬‬ ‫העקרון הבסיסי במחזור הנוגדנים הוא שלתא הסרטני יש אפיניות נורמלית ליותר מנוגדן אחד במודול‬ ‫הדיאגנוסטי‪ .‬האפיניות המשוקללת של כל הנוגדנים במודול הדיאגנוסטי מסייעת לזיהוי התא הסרטני‪.‬‬ ‫מאחר ולנוגדן בודד יש אפיניות נורמלית לתא הסרטני‪ ,‬לאחר התפרקות התא הסרטני‪ ,‬אזור הקישור‬ ‫בנוגדן מתפנה וכך הנוגדנים ממוחזרים‪.‬‬ ‫ע"י שימוש בכלים מתמטיים פשוטים בדקנו את ההיתכנות והתנאים הדרושים להעדפת תהליך המחזור‬ ‫של הנוגדנים מבחינת ההסתברות לדיסוציאציה של הנוגדן‪ .‬נמצא כי הערך האידאלי של הסתברות‬ ‫הדיסוציאציה תלוי במספר הנוגדנים בהם נעשה שימוש‪ .‬כמו כן‪ ,‬המסקנה שהוסקה היא כי לאחר‬ ‫לקיחה בחשבון של מחזור הנוגדנים ומורכבות ההכנה במודול הדיאגנוסטי‪ ,‬מספר הנוגדנים צריך‬ ‫להישאר שניים או שלושה‪.‬‬ ‫‪iii‬‬ ‫‪© Technion - Israel Institute of Technology, Elyachar Central Library‬‬ ‫שלבי טיפול כגון )‪.Antibody-directed enzyme prodrug therapy (ADEPT‬‬