‘אנחנו מה שאנחנו אוכלים’
‘אנחנו מה שאנחנו אוכלים’ הוא ביטוי נפוץ שפירושו שיש קשר בין המזון שאנחנו מכניסים לגוף והבריאות שלנו. מלבד נטייה גנטית, התזונה שלנו תורמת לבריאות מערכת העיכול ויכולה להוביל להתפתחות מחלות במערכת העיכול ולתסמונת מטבולית, המגדילה את הסיכון למחלות כרוניות כמו יתר לחץ דם, מחלות לב וכלי דם וסוכרת מסוג 2. התזונה והרגלי האכילה שלנו משפיעים על הבריאות, והשפעתם ניכרת במיוחד אצל מי שסובל ממחלות במערכת העיכול או מהפרעות לתהליך חילוף החומרים.
מחלות במערכת העיכול ותסמונת מטבולית הן תחום מורכב ומסועף. למרות ששיעור התחלואה העולמי במחלות במערכת העיכול (כמו מחלות מעי דלקתיות או מחלת קרוהן) גדול מ־20%, לא תמיד מובנת לגמרי התקדמות המחלה. כמו כן, בדרך כלל התלונות של המטופלים הן כלליות ומקשות על האבחון. הדרישה למכשור למדידת סמנים ביולוגים בתוך מערכת הגידול הולכת וגדלה. סמנים ביולוגים הם אינדיקטורים לזיהוי ומדידה של נוכחות מחלה ומעקב אחרי התפתחותה. כיום יש דרכים למדוד סמנים ביולוגים בצואה, בדם וברוק, אבל מדידתם בתוך דרכי העיכול היא גישה חדשה שיכולה להביא תועלת רבה. זיהוי מוקדם של מחלה ושינוי אורח החיים יכולים להקטין את שיעור ההארעות, התמותה, ההוצאות הרפואיות ולשפר את איכות החיים; אבל בשביל זה אנחנו צריכים את הכלים המתאימים. כריס ואן הוף, סגן נשיא מו”פ ב-IMEC, מתאר את החידושים הטכנולוגיים שיתרמו לבריאות מערכת העיכול ולמצב הבריאות הכללי.
גלולה לשיפור בריאות הבטן והמעי
הדרך היעילה ביותר לאסוף מידע על המתרחש במערכת העיכול היא לעבור אותו מסלול שעובר המזון. פתרונות על בסיס מצלמה המשמשים כיום, כמו אנדוסקופיה, לא מגלים בעיות פונקציונלית כמו תסמונת המעי הרגיז (IBS) והפרעות בתנועתיות מערכת העיכול, שאותן אפשר לגלות רק באמצעות סמנים כימיים. כמו כן, אין כלים למדידת הרכב המיקרוביום של המטופלים. המיקרוביום הוא אוכלוסייה המונה טריליוני חיידקים החיים במערכת העיכול ומשפיעים על בריאותה. לכל אחד מאיתנו הרכב חיידקים שונה במערכת העיכול והם גם מגיבים בצורה שונה למזון שאנחנו אוכלים. אפילו מזונות עם ערך תזונתי דומה יכולים להשפיע לחיוב או לשלילה על הרכב החיידקים במערכת העיכול.
כמענה לאתגרים האלה, פיתחה IMEC מכשיר רפואי בליע למדידת התהליכים המכניים, הכימיים והחשמליים המתרחשים במערכת העיכול. מכשירים רפואיים בליעים הם חיישנים קטנים שלאחר בליעתם מבצעים אחת משתי הפעולות: מדידה או דגימה, בהתאם למטרת הבדיקה.
איור 1: מכשירים רפואיים בליעים משמשים לאיסוף נתונים מתוך מערכת העיכול
מכשירים רפואיים בליעים המשמשים למדידה אוספים מידע בזמן שהם נעים לאורך מערכת העיכול ומשדרים את הנתונים למקלט הנמצא מחוץ לגוף. הם יכולים לשמש כחלק מטיפול מונע ולאיתור מחלות ללא תסמינים, לדוגמה: זיהוי סמנים ביולוגיים המעידים על בעיות בחילוף החומרים ומעקב. כמו כן, יכולים החיישנים לספק מידע על התזונה, תהליכי פירוק המזון במערכת העיכול וחילוף החומרים, על ידי קביעת כמותם של מטבוליטים מסוימים כמו חומצות שומן קצרות שרשרת (SCFA) או מינרלים הנצרכים מהמזון (נתרן, אשלגן, סידן). המכשירים הרפואיים הבליעים לא מאבחנים את המחלה באופן ישיר, רק עוזרים לגלות חוסר איזון בהרכב חיידקי מערכת העיכול (הנקרא דיסביוזה כשמדובר במיקרוביום) או חוסרים תזונתיים שעלולים להוביל בטווח הארוך למחלה כרונית.
השיטות הקיימות לקביעת כמותם של המטבוליטים מצריכות לא פעם שימוש בציוד גדול ומיוחד כמו מערכת כרומטוגרפיה. קשה מאוד למזער את הציוד הזה, ובכלל אין טעם למזער אותו, מכיוון שהוא משמש בדרך כלל לקביעת כמותו של חומר אחד או לבדיקות אקראיות. גלולות דגימה, אשר לאחר בליעתן לוקחות דגימה ומודדות סמנים ביולוגים באתר הרצוי במערכת העיכול, יכולות להיות חלופה טובה. הם גם יכולות לשמש לביצוע מדידות באתרים שונים לאורך מערכת העיכול. בסיום מעברן במערכת העיכול נאספות הגלולות האלו ומועברות למעבדה לצורך ניתוח הדגימות, כמו הרכב המיקרוביום.
גלולות חכמות על בסיס טכנולוגיה חכמה
פיתוחן של גלולות חכמות למדידה ודגימה הוא אתגר גדול. ראשית, משיקולי נוחות ובטיחות צריכות הגלולות להיות קטנות מאוד. כיום עדיין אין פתרון שמאפשר להכניס את כל סוגי החיישנים הנחוצים למגוון הבדיקות המוצע לתוך מכשיר זעיר כל כך. יתר על כן, במערכת העיכול, ובפרט הקיבה, שוררים תנאים קשים שעלולים לשבש את פעילות החיישן במעברו במערכת העיכול. המעקב אחרי מיקומו של החיישן במערכת העיכול הוא אתגר נוסף ולא פשוט, משום שאין לנו מפה מדויקת של מערכת העיכול של כל מטופל שבה נוכל להשתמש כמו במכשיר ניווט. ובסופו של דבר אנחנו צריכים גם פתרון מתאים ואלגנטי לאיסוף החיישן בסיום הבדיקה.
איור 2: הגלולות החכמות הן אמנם קטנות, אבל עתירות טכנולוגיה
IMEC מפתחת את אבני הבניין שבסופו של דבר ירכיבו את הגלולות החכמות האלו. ברמת החיישן, החוקרים רוצים למדוד את התנועות המכניות של המעיים, את הגירוי החשמלי שגורם להתכווצות השרירים ואת תהליכי הפירוק הכימי של המזון (שבהם משתתפים הורמונים ואנזימים). לצורך כך נדרש מערך חיישן הכולל חיישנים אלקטרוכימיים וחישת גלים. יתר על כן, מגבלות הגודל כופות שימוש בסוללות זעירות, ובפרט במכשירים עם מספר חיישנים וגלולות דגימה, שבהן רוב הנפח מוקדש לרכיבים הפונקציונליים. רכיבים עם צריכת אנרגיה נמוכה מאוד הם המפתח להצלחת המכשירים הרפואים הבליעים. דרישה נוספת היא היכולת לעבד חלק מהמידע באמצעות אלגוריתם והתקני עיבוד אותות על גבי המכשיר עצמו, על מנת להקטין את כמות המידע הגולמי שמשודר באופן אלחוטי למכשיר לביש או למכשיר נייד אחר. בכל הנוגע לתקשורת אלחוטית, מפותחים כיום משדרים/מקלטים עם צריכת אנרגיה נמוכה מאוד, במיוחד עבור מכשירים זעירים עם צריכת אנרגיה נמוכה, ובהם מכשירים רפואיים בליעים.
IMEC כבר פיתחה לא מעט מאבני הבניין עבור מכשירים רפואיים בליעים והכניסה אותם למכשיר בגודל גלולה. זמן הסוללה של המכשיר הוא יותר מ־6 ימים, עם מדידת ושידור המידע באופן אלחוטי כל 3 שניות.
איתור והשבה
הגלולה החכמה זקוקה לכיסוי מגן על מנת לשרוד את סביבת חומצות הקיבה הקשה ולהגיע לאתר המטרה. הכיסוי הזה צריך להיות נתיק, כדי שאפשר יהיה לשחררו באתר המטרה ולאפשר לגלולה החכמה למדוד או לדגום. ובסוף מעברן במערכת העיכול צריך לאסוף את גלולות הדגימה ולשלוח אותן לבדיקות מעבדה. אמנם אין צורך רפואי לאסוף גלולות מדידה, מכיוון שהן כבר שידרו את המידע ולכן סיימו את תפקידן, אבל ייתכן שיהיה צורך למחזרן מטעמי בטיחות והגנה על סביבה.
אתגר מרכזי נוסף של פיתוח מכשירים רפואיים בליעים הוא איתור מיקום המכשיר עם התקדמותו במערכת העיכול. מערכת העיכול היא צינור ארוך ומפותל, שצורתו והקיפולים שלו שונים אצל כל אחד מאיתנו. מעקב אחרי מיקום המכשיר במערכת העיכול הוא חיוני לקביעת אסטרטגיית טיפול יעילה. לדוגמה: במחלת קרוהן לא מספיק רק לאתר את הדלקת, אלא צריך למדוד גם את היקפה. אחת מהשיטות למעקב אחר מיקומם של מכשירים רפואיים בליעים בבטן הוא מדידת ערך הגבה (pH), מכיוון שרמת החומציות משתנה באופן משמעותי בחלקים שונים של מערכת העיכול, כמו לדוגמה במעבר מהקיבה למעי. כיום נחקרות שיטות מדויקות יותר למעקב אחרי מיקום המכשיר במערכת העיכול.
המיקום במערכת העיכול היקף הדלקת
ידיעת מיקום המכשיר הרפואי הבליע במערכת העיכול הוא המפתח לקביעת מיקום הדלקת.
IMEC ומרכז המחקר והאוניברסיטה של ווגנינגן (WUR), אחת משותפותיה במרכז המו”פ OnePlanet, חוקרות כיום אב טיפוס של מכשיר רפואי בליע במערכת עיכול מלאכותית המדמה את התנאים השוררים במערכת העיכול. מטרתה של הבדיקה בתנאי המעבדה היא הערכת רגישות המדידה של החיישן בתנאים הקשים השוררים במערכת העיכול, את יציבותו סגוליותו לאורך זמן ואת בטיחותו.
חדר השירותים ככלי אבחון
מכשירים רפואיים בליעים מתאימים לבדיקות קצרות ואפילו לקבלת נתונים בזמן אמת למטרות אבחון והתאמת הטיפול. החזון של IMEC ושותפי המחקר שלה במרכז המו”פ OnePlanet הוא בניית כלים פשוטים לשימוש, לניטור ומעקב אחר המצב הרפואי על פני תקופה ארוכה, במטרה למנוע מחלות. כבר קיימים בשוק מכשירים לבישים המשמשים למטרות דומות, אבל הבעיה איתם היא שהמשתמש עדיין צריך ללבוש או לשאת אותם על הגוף וחלק מהמשתמשים לא מתמידים בכך. לעומת זאת, כולם הולכים לשירותים.
‘האסלה החכמה’ היא חלק מפרויקט ‘חדר השירותים הבריא’ שבו חדר השירותים מצויד בחיישנים למדידת מדדים רפואיים, מבלי להטריח את המטופל ואפילו בלי לצאת מהבית. על פי החזון הזה יהפוך חדר השירותים, החדר שבו כולם משתמשים בכל יום, לכלי בדיקה שיבצע בדיקות יומיות. המדידות יתבצעו באופן לא פולשני באמצעות אסלה חכמה או אביזר אחר בחדר השירותים, והמשתמשים יקבלו משוב רפואי בזמן אמת, לפי תוצאות המדידה האחרונה או מגמות לאורך זמן.
בדור הראשון, מכילה האסלה החכמה חיישנים למדידת תפקוד מערכת הלב וכלי הדם, ובהם אק”ג (אלקטרוקרדיוגרם) ו־PPG (photopletysmography). בדור הבא יתווספו לאסלה חיישנים לבדיקת שתן וצואה, במטרה למצוא קשר בין סמנים ביולוגים למצבים של התייבשות ועצירות.
אסלה חכמה חדשנית
במקביל לשדרוג אסלה רגילה, מפתחת IMEC גם דגם ניסיוני של אסלה המצויד במכשור הבדיקה החדשני ביותר. האסלה הזאת מבצעת סדרת בדיקות מקיפה יותר ועוזרת להבין מהם הגבולות של שימוש באסלה ככלי למחקר בנושא תזונה וחילוף חומרים. במקביל, מקדמת האסלה החכמה פיתוחים טכנולוגיים חדשים. החיפוש אחר מדד הזהב הזה עוזר להגדיר מהו מינימום התכונות ההכרחי עבור החיישנים. הגדרת הדרישה מגדילה את הסיכויים לפיתוח טכנולוגיית חיישנים מתאימה.
מזון למחשבה
פיתוחם של חיישנים בליעים ואסלה חכמה לא מסמן שהעבודה נגמרה. הערך המוסף של טכנולוגיית החיישנים הזאת טמון ביכולת להשתמש בנתונים שאספו החיישנים לחילוץ תובנות, זיהוי מגמות ובניית מודלים. מכשירים רפואיים בליעים הם כלי מחקר המאפשר לבצע מחקרי רוחב גדולים, שבהם עניין רב בענפי הרפואה, התזונה והתרופות. האסלה החכמה מאפשרת לחוקרים במרכז המחקר OnePlanet לעקוב באופן תקופתי אחרי מדדי חילוף החומרים ומחלות נוספות על רקע התזונה, מבלי להטריח את הנבדקים.
מרכז המחקר OnePlanet מתכנן מחקר מקיף בנושא הרגלי מזון ואכילה, שבו יעשה שימוש בחיישנים הבליעים ובאסלה החכמה של IMEC. OnePlanet הוא מרכז חדשנות המפתח טכנולוגיות לענפי המזון, הבריאות והחקלאות ובו משתפת IMEC פעולה עם אוניברסיטת רדבוד, מרכז המחקר והאוניברסיטה של ווגנינגן (WUR) ובית החולים האוניברסיטאי רדבוד שבהולנד. תוצאות המחקר יניחו את היסודות לייעוץ בנושא בריאות, שבסופו של דבר יוביל לשינויים באורח החיים.
זהו אתגר גדול. בדיוק כמו שענידת צמיד Fitbit לבדה לא משפרת את הכושר הגופני, כך השימוש באסלה חכמה לא ישנה את התזונה והרגלי האכילה בשבילך. בעזרת מדעני התנהגות ומומחים לתזונה, נבדקות במרכז OnePlanet דרכים חדשות לספק ייעוץ רפואי אישי. כולם יודעים שתזונה בריאה פירושה אכילת מזון עשיר בסיבים תזונתיים ושתיית הרבה מים. אבל תזונה לא בריאה משפיעה על כל אחד מאיתנו בצורה אחרת. מדדים אישיים מקלים על מתן ייעוץ אישי ויעיל יותר מייעוץ כללי.
התאום הדיגיטלי שלך
הנתונים שנאספים על ידי חיישנים בליעים ואסלה חכמה, ביחד עם מידע תלוי הקשר (מה עשו הנבדקים ברגע נתון?), מידע על המצב הנפשי, דפוסי שינה או רמות כאב, יוצרים מאגר נתונים עשיר, שממנו אפשר להבין טוב יותר את מצבו הרפואי של מטופל מסוים עכשיו ובעתיד. ‘התאום הדיגיטלי’ של אדם מסוים יכול לחזות כיצד ישפיעו על המטופל שינויים בתזונה ובאורח החיים, או לעזור בגילוי מוקדם של מחלות. התאום הדיגיטלי עוזר למשתמשים לקבל משוב על מצבם הרפואי, ועוזר לרופאים ולמטפלים לתת ייעוץ וטיפול אישיים.
איור 4:התאום הדיגיטלי שלך מאפשר לתת ייעוץ אישי ויעיל
לגבי שינויים בתזונה ובאורח החיים.
מכיוון שעדיין אי אפשר ליצור תאום דיגיטלי מלא, מחלקים החוקרים את הגוף למערכות או איברים. בניית תאום דיגיטלי מדויק יותר מצריכה מחקר רוחב לאיסוף מדדים פיזיולוגים, התנהגותיים, של הרכב אוכלוסיית החיידקים במערכת העיכול וגנטיקה. ניתוח הנתונים יאפשר לאפיין אנשים בודדים או קבוצות באוכלוסייה, שלהם מאפיינים פיזיולוגיים או התנהגותים דומים. אף־על־פי־כן, הדרך מנתונים לידע דורשת מאמץ רב, כמו זה הנחוץ לבניית תהליכי עיבוד אוטומטיים ומבוקרים לאיתור נתונים שימושיים והסרת ממצאי שווא. IMEC כבר החלה לעבוד על פלטפורמה דיגיטלית שכזאת.
כלים כמו מכשירים רפואיים בליעים או אסלה חכמה הם שתי טכנולוגיות מפתח ביצירת תאום דיגיטלי, שהוא כלי רפואי חשוב, מכיוון שתרומתן של התזונה ובריאות מערכת העיכול היא שונה אצל כל אחד מאיתנו. התאום הדיגיטלי יהפוך בעתיד את הייעוץ התזונתי לשירות רפואי בהתאמה אישית.
כריס ואן הוף (Chris Van Hoof)
על כריס ואן הוף (Chris Van Hoof)
שיפור איכות החיים של מטופלים ומציאת פתרונות למניעת מחלות הם המניעים שמאחורי החדשנות ופיתוח פתרונות החומרה/תוכנה עליהם אחראי כריס ב־IMEC. לאחר סיום לימודיו לתואר PhD בהנדסת חשמל באוניברסיטת לוון בשנת 1992, עבד כריס כמנהל ודיירקטור ב־IMEC במגוון תחומים, ובהם טכנולוגיה, מעגלים, מערכות, מידע ויישומים. כיום מכהן כריס כסגן נשיא המחקר והפיתוח בתחום פתרונות בריאות מחוברים וכמנכ”ל מרכז המחקר OnePlanet בחלדרלנד. מלבד פיתוח פתרונות ללקוחות מענפי תעשייה שונים, עבודתו של כריס ב־IMEC הובילה להקמת חמש חברות הזנק (סטארט־אפ), כשארבע מתוכן פועלות בתחום הבריאות. כמו כן, כריס משמש כמרצה באוניברסיטת לוון וכעמית מחקר ב־IMEC.
