כיצד מעבירים תאי הגוף מידע זה לזה, כיצד הם שומרים על ייחודיותו של
ה"אני" העצמי שלהם, ומהי "רפואת תעלות"? ברט סאקמן וארווין נהר
חוללו מהפכה של בעולם הרפואה והפיסיולוגיה, כאשר גילו
ופיתחו דרכים חדשות להבנת (ולהפעלת) מנגנוני חיים בסיסיים ביותר,
המתחוללים כמעט בכל תאי הגוף, וברבות ממערכותיו. מדובר במנגנוני
התעלות היוניות, האחראיות להעברת מידע בגוף החי. אחד מן המאפיינים
החשובים של כל תא חי, הוא ההבדל שבין ריכוזיהם של חומרים שונים משני
עברי קרום התא. כדי לשמור על יכולת ההגדרה העצמית שלהם, מקפידים
התאים, למשל, שריכוז הנתרן שמחוץ לתא, יהיה תמיד גבוה מריכוז הנתרן
שבתוכם. בדרך כלל, ריכוז החומרים בתוך התא נמוך מזה שמחוצה לו (יוצא
מהכלל הזה הוא, למשל, האשלגן שריכוזו בתוך התא רב מריכוזו בתווך
הבין-תאי). הבדל נוסף מתבטא בעובדה שצדו הפנימי של קרום התא טעון
במטען חשמלי שלילי, ואילו צדו החיצוני טעון מטען חשמלי חיובי.
חלק ניכר מהאנרגיה שאנו מפיקים בגופנו, משמש לשמירת היחסים
האלה, שבין "בפנים" ל"בחוץ". מצד שני, המתח שנוצר משני עברי קרום
התא בשל הפרשי הריכוזים והמטענים החשמליים של התאים, יוצר "מפלי
אנרגיה" שהם המקור העיקרי לאנרגיה הזמינה לתפקוד התא ולהזנת תהליכי
החיים השונים.
בסך הכל, קיימים פחות מעשרה יונים המשתתפים באופן קבוע במשחק
הזה, של שינוי הריכוזים. החשובים (והנפוצים) שבהם הם נתרן, סידן,
אשלגן, וכלוריד. אבל, החומרים המעטים האלה מאפשרים לתא לבצע
רפרטואר גדול מאוד של תגובות ופעולות. כיצד מפלי אנרגיה
מעטים כל כך, יוצרים כמה אלפי תגובות תאיות שונות? התגובות התאיות
נוצרות כתוצאה ממערכות תקשורת שבאמצעותן מתבצעות תגובות גומלין
רבות ושונות (מבחינה כמותית ומבחינת הרכב החומרים היחסי), בין החומרים
ש"בחוץ" לאלה ש"בפנים". למעשה, קיימות שתי מערכות תקשורת כאלה.
המערכת היותר ידועה, היא זו המבוססת על קולטנים חלבוניים. קולטן הוא
מולקולה חלבונית שהמבנה הפיסי שלה מתאים למבנה הפיסי של מולקולות
אחרות. הדמיון מזכיר את הדמיון המשלים שבין חלקיו השונים של משחק
תצרף ("פאזל"), כך שעקרונית, רק סוג אחד של מולקולות, יתאים לסוג
ידוע של קולטנים (לפעמיםמולקולות דומות עשויות להיקשר לאותו קולטן).
הקולטנים ממוקמים על קרום התא, והם קושרים אליהם חומרים שונים המצויים
בתווך הבין-תאי. כתוצאה מהקשירה, או ה"עגינה" של החומר החיצוני על
קרום התא, מתחיל תהליך שרשרת, שבו עובר "מסר" מסוים מהנוזל שמחוץ לתא,
אל הקולטן, וממנו (באמצעות מתווכים נוספים), אל תוך התא, ולעתים אל החומר
הגנטי האצור בגרעינו.
מערכת התקשורת השנייה, הפחות ידועה, מבוססת על "תעלות יוניות".
גם ה"תעלה" היא, למעשה, מולקולה חלבונית הממוקמת על קרום התא, אלא
שהיא מהווה מעין "אי" שקצהו האחד בולט מצדו החיצוני של קרום התא,
ואילו קצהו האחר, נמצא בתוך התא . כללית, ה"תעלה" נבדלת מקרום התא
ב"אהבת המים" שלה. קרום התא העשוי חומר שומני, דוחה מים, ומונע מעבר
של יוני חומרים שונים דרכו. לעומת זאת, הצינור המרכזי של ה"תעלה"
עשוי חומר "אוהב מים", ובתנאים ידועים, הוא עשוי לאפשר מעבר של
יונים שונים דרך התעלה, מתוך התא החוצה, או מחוץ לתא, פנימה.
מלת המפתח כאן היא, כמובן, "תנאים ידועים". קיימות תעלות
מסוגים רבים ושונים. חלקן מעבירות יונים מסוימים בלבד, ואחרות
מעבירות כמה סוגים של יונים, ואפילו את כולם. הבעיה היא שהתאים לא
השכילו לשמור בסוד את נוסחת ההרכב של התעלות השונות המפעילות אותם.
כך, למשל, חיידקים מסוימים הפולשים לגוף, מפרישים מולקולות של
"תעלות" הנצמדות לתאים, מתחילות להעביר חומרים שונים מתוכם החוצה,
או מהתווך התוך-תאי לתוכם, מה שמשבש את המאזן של מפלי האנרגיה וגורם
לאיבוד של אנרגיה זמינה על-ידי התא – ולמותו.
מצד שני, בטכניקה הזאת בדיוק משתמשת גם המערכת החיסונית של הגוף,
בבואה להרוס פולשים חד-תאיים שונים (כגון חיידקים).
כך פועלות גם תרופות אנטיביוטיות שונות המכילות, למעשה, תערובת של
"תעלות" המשבשות את מחזור החיים התקין של פטריות וחיידקים שונים
(קיימות "תעלות" הנצמדות באופן בררני לסוגי תאים שונים. כך למשל,
תעלות ידועות תוקפות את הפולשים, ואינן נצמדות לתאי הגוף).
תעלות כאלה עשויות גם ליצור תקשורת בין-תאית מידית. דוגמה
בולטת לתופעה הזאת מתחוללת בלב, שמיליוני התאים המרכיבים אותו
מתכווצים ומתרפים בעת ובעונה אחת, לפי אות מוסכם. פקודות ההתכווצות
וההרפייה, והשמירה על אחידות הקצב של פעולת התאים השונים, נתונה
לאחריות ה"תעלות". באמצעות התעלות האלה עשויים תאי הלב גם להתחלק
במשאבי האנרגיה שלהם, ולסייע לתאים הנקלעים למחסור זמני באנרגיה.
הפרשי המתח והריכוז הנשלטים בידי התעלות מהווים גם את המקור העיקרי
לאותות החשמליים והכימיים המועברים במערכת העצבים.
מולקולות התעלות בנויות, בדרך-כלל, מכמה יחידות משנה.
כאשר התעלה נפתחת, מתרחקות יחידות המשנה אלה מאלה, כך שבמרכז
המולקולה נפערת מעין מנהרה, המאפשרת מעבר של יונים מצד אחד של
התעלה למשנהו. פתיחת התעלה גורמת שינויים בהפרשי המתחים
והריכוזים של חומרים שונים משני עברי קרום התא. לכן, כדי לשמור על
ההפרשים האלה בשיעורים מדויקים, נפתחות התעלות האלה לחלקיקי שנייה,
ושוב נסגרות, וחוזר חלילה. ברמת התא השלם, זוהי פעולה מורכבת מאוד,
מכיוון שבעת ובעונה אחת, פועלות על-פניו אלפי תעלות מסוגים שונים,
שפעולתן משפיעה על פעולתן של תעלות אחרות. זהו מעגל משוב מורכב
שעשוי להימשך ללא סוף.
היכולת לזהות ולהבין את הכללים השולטים בפעולתן של התעלות
השונות, עשויה לפיכך לתרום רבות להבנת מנגנוני החיים הבסיסיים
ביותר (ולהקנות יכולת לבצע מניפולציות שונות במערכות חיות). למעשה,
ידועות כמה דרכים שבהן פועלות התעלות היוניות. קיימות תעלות שהמנעול
לפתיחתן הוא גובה ההפרש שבין המתחים החשמליים משני עברי קרום התא.
כלומר, כאשר ההפרש הזה עובר סף מסוים – התעלה נפתחת. כאלה הן, למשל,
התעלות המעבירות נתרן וסידן, הפועלות בשרשרת: הפרש מתחים מסוים
מביא לפתיחת תעלת הנתרן. פתיחת התעלה הזאת משנה את הערך החשמלי של
קרום התא, ופעולה זו מביאה לפתיחת תעלת הסידן. למערכת הזאת נודעת
חשיבות מרכזית בגוף, שכן הסידן משפיע על התכווצות שריר הלב, הפרשת
טרנסמיטרים (מתווכים) שונים במערכת העצבים ותהליכי שחרור של
הורמונים רבים. הבנת המערכת הזאת מאפשרת, למשל, להשפיע על
רמת הסידן בתאי הגוף השונים, באמצעות פעולה על הנתרן.
קיימות גם תעלות הנפתחות ונסגרות לפי נוכחותם של חומרים שונים
בסביבתן, ואף כאלה הנפתחות כתוצאה ממתיחה פיסית. תעלות המתיחה האלה,
אולי אינן כל-כך מתוחכמות, אבל קרוב לוודאי שהן אחראיות לתחושות
הלחץ בגוף, כמו, למשל, לתחושת הכאב של מי שסופג מכת אגרוף בפניו, או
של מי שסובל ממחושי בטן (יש הסבורים שגם חלק ניכר מהנאות המין נובע
מתחושות הלחץ שביצירתן משתתפות התעלות האלה).
מכיוון שכאמור, קיימים אלפי סוגים של תעלות, ומכיוון שהבנת
מנגנוני הפעולה שלהן עשויים לפתוח עידן חדש בתחום המניפולציות
הטיפוליות והתרופתיות, חשובה מאוד היכולת למדוד וללמוד בדייקנות,
ובתנאי בידוד, את תכונותיהן של התעלות השונות. דרך כזאת לא הייתה
בנמצא, עד שפותחה על-ידי ברט סאקמן וארווין נהר שזכו על תגליתם זו
בפרס נובל לפיסיולוגיה או רפואה. השיטה שלהם, המאפשרת למדוד את
תכונותיהן של תעלות יוניות בתאים חיים, מכונה "שיטת המדידה מפיסה",
כלומר, מפיסה זעירה של קרום התא.
סאקמן ונהר הבינו שבשל מספרן וסוגיהן הרבים של התעלות הפועלות
בעת ובעונה אחת בתא, אין טעם במדידה כוללת של התא כולו. הנתונים
פשוט יהיו רבים מדי ומעורבים מכדי שאפשר יהיה להסיק מסקנות כלשהן
ממדידתם. לפיכך, הם חיפשו דרך לבודד קטע קטן של קרום התא, למדוד את
הזרמים החשמליים החלשים מאוד העוברים דרך התעלות שבו, ואולי אפילו
את הזרם החלש העובר דרך תעלה יונית אחת בודדת.
בידוד מוחלט של פיסה מקרום התא בעודו בחיים, וביצוע מדידות
שונות מפיסה זו, היא פעולה שלא נעשתה עד למחקריהם של סאקמן ונהר.
כדי לעשות זאת, ניקו השניים את קרום התא מחומרים שונים שנצמדו אליו
(באמצעות אנזימים שאינם מזיקים לתא עצמו), ולאחר מכן, קירבו אליו
צינורית מיקרוסקופית עשויה זכוכית (הם ניסו ובחנו סוגים רבים של
כוכית עד שהגיעו לסוג הזכוכית המאפשר את ביצוע הניסויים המבוקשים).
קוטר הפתח של הצינורית המיקרוסקופית הוא פחות מאלפית המילימטר,
ולצורך קירובה אל קרום התא בעדינות הדרושה, פותח מתקן מיוחד.
בנוסף לכך, כדי להבטיח את היצמדות הצינורית לקרום התא,
פיתחו השניים שיטה חדשה לליטוש זכוכית, המבטיחה שקצה הצינורית
יהיה חלק לחלוטין. באמצעות יניקה קלה, מוצמדת הצינורית לקרום
התא הנקי. כתוצאה מכך, נוצר בהיקף הפייה של הצינורית מעין אטם, המבודד
את פיסת הקרום התחום בפיית הפיפטה, משאר הקרום. בשלב זה, פיסת הקרום
המבודדת מאפשרת לחוקרים לבצע בה ניסויים רבים ושונים בתנאי בידוד,
ללא הפרעות ועודף נתונים. כך, למשל, אפשר להזרים דרך הפיפטה זרם
חשמלי אל הפיסה המבודדת, לבחון את תגובת התעלות הכלולות בה על מגע
עם חומרים שונים, לרבות תרופות, ועוד. התוצאות של הפעולות האלה
הנעשות על פיסת הקרום המבודדת, משפיעות על תגובותיו של התא החי
כולו, שכזכור, נותר בחיים ולא אונה לו כל רע במשך כל הניסוי.
טכניקה זו מסייעת כיום למחקרים בסיסיים רבים, המובילים לא אחת
ליישומים מתקדמים בשדה הרפואה.
