Page 12 - חוברת תזות הנדסה ירוקה 2023

אפיון וזיהוי של תאים ראשוניים, טרום-סרטניים וסרטניים באמצעות ספקטרוסקופית ראמאן ואלגוריתמים של למידת מכונה
דניאל חניה1: danietu1@sce.ac.il
פרופ' אחמד סלמאן1, פרופ' מחמוד חוליחל2, פרופ' יצחק לפידות3
1המכללה האקדמית להנדסה ע"ש סמי שמעון, באר שבע, 2אוניברסיטת בן גוריון בנגב, באר שבע 3מכללת אפקה, המכללה האקדמית להנדסה, תל אביב
מחלת הסרטן היא גורם המוות השכיח ביותר בישראל ובעולם, ולמעשה מדי שנה מאובחנים בעולם כ-19 מיליון מקרי סרטן חדשים וכ-10 מיליון מקרי מוות מסרטן. בעידן של היום בו תוחלת החיים של האוכלוסייה עולה, גם מספר חולי הסרטן עולה. כתוצאה משינויים בחומר התורשתי, נוצרות מוטציות ב-DNA, המשבשות את תפקוד התא, ובכך נוצרים גידולים שפירים וממאירים. בגידולים ממאירים, התאים הסרטניים יכולים לפלוש לרקמות שכנות, ובכך להתפשט בגוף מעבר לאתר המוצא. התפשטות זו היא הגורם העיקרי לתמותה אצל חולי הסרטן, אשר נאבקים בחיי היומיום בטיפולים קשים, כאבים, קושי כלכלי, חברתי ואישי, שבאים לידי ביטוי גם כקשיים כלכליים על בני משפחתם ועל החברה. נכון להיום, תהליך אבחון מדויק של מחלת הסרטן בשיטות הקלאסיות כרוך בשורה של בדיקות, כאשר מרביתן אורכות זמן ומייצרות אי-נוחות וחרדה אצל המטופלים. בזמן ההמתנה לקבלת פיענוח כל בדיקה, הגידול הסרטני ממשיך להתפתח בגוף, וייתכן כי עד קבלת תוצאות הבדיקות, יהיה צורך בטיפול נרחב יותר. כמו כן, שורת הבדיקות והטיפולים במחלה, מייצרים פסולת רפואית רבה, שהינה פסולת מסוכנת ומזהמת, הנקראת פסולת גנוטוקסית לפי ארגון הבריאות העולמי. פסולת זו נחשבת מסוכנת היות ועלולה לגרום למוטציה בתאים ולסרטן, היא קשה להתמודדות, ועלולה להוות איום רציני על בריאות הציבור והסביבה. בשל העלייה במספר מקרי הסרטן מידי שנה, כמות הפסולת הגנוטוקסית עולה. כל האמור לעיל ממחיש את הצורך בשיטת אבחנה חדשנית מהירה, אמינה, פשוטה ומדויקת, לגילוי תאים טרום-סרטניים וסרטניים בשלבים הראשונים להתפתחותם, כדי להציל חיים, להגדיל את סיכויי ההחלמה ולהפחית את הפסולת הרפואית. ספקטרוסקופיית ראמאן הידועה כשיטה אמינה, מהירה, רגישה ומדויקת לזיהוי ואפיון של מערכות ביולוגיות ברמה המולקולרית, וללא שימוש בריאגנטים שונים שיהפכו לפסולת רפואית, מבוססת על אינטראקציה בין קרן הלייזר עם החומר, שמאפשר למדוד את רמות האנרגיה הוויברציוניות של הדוגמה הנבדקת, לקבלת ספקטרום ראמאן המהווה "טביעת אצבע ביוכימית". מטרת המחקר העיקרית הייתה הערכת הפוטנציאל של ספקטרוסקופיית ראמאן מבוססת שיטות למידת-מכונה, לזיהוי ואפיון של שלוש מערכות ביולוגיות המהוות מודל מייצג לשלבים השונים בהתפתחות מחלת הסרטן. השגת המטרה תוכל להוביל לעתיד בו פחות פסולת רפואית גנוטוקסית תיווצר. במחקר זה, תאים ראשוניים של עוברי עכבר מייצגים תאים נורמליים ובריאים, תאים פיברובלסטים של עכבר מתרבית תאים (NIH) מייצגים תאים טרום-סרטניים, ותאים פיברובלסטים ראשוניים של עכבר שהותמרו לתאים סרטניים (MBM). במהלך המחקר נמדדו 997 מדידות מ-457 תאים שונים משלושת המערכות הביולוגיות בספקטרומטר ראמאן. השינויים הספקטרליים בין שלושת המערכות הביולוגיות היו מזעריים, לכן שיטות למידת מכונה שימשו לזיהוי וסיווג המערכות. השילוב בין ראמאן ללמידת-מכונה מהווה כלי אבחון רב-עוצמה אשר תופס תאוצה בשנים האחרונות. התאים בשלושת המערכות הביולוגיות נמדדו בשלושה אזורים שונים בתא (מרכז התא, ציטופלזמה וממברנת התא) בכדי לזהות את האזור האחראי על ההבדלים הספקטראליים העיקריים בין שלושת הדגמים. בוצע סיווג בין שלושת המערכות הביולוגיות על-ידי המסווג LDA, ולאחר ביצוע הורדת ממד באמצעות PCA. המסווג הצליח לסווג בין שלושת המערכות הביולוגיות בו-זמנית בדיוק של %76.8-85.1. מאחר ועיקר הטעויות בסיווג זה נבעו
12