משתמש:Chai.avital/ביו-קונברג'נס
 |
דף זה אינו ערך אנציקלופדי
| |
| דף זה אינו ערך אנציקלופדי | |
ביו-קונברג'נס (באנגלית: bio-Convergence) הוא מונח כולל לטכנולוגיות חדשניות, המשלבות בין תחומי הביולוגיה לאחד או יותר תחומים או שיטות הנדסיות, כגון אלקטרוניקה, בינה מלאכותית, ביולוגיה חישובית, פיזיקה, ננו-טכנולוגיה, מדע חומרים והנדסה גנטית מתקדמת, וזאת לצורך מתן מענה לאתגרים (unmet needs) בתחום הרפואה, וגם בתחומים אחרים כגון חקלאות, מזון, אנרגיה וביטחון.
רקע עריכה
בשנים האחרונות מתרחשת מהפכה בתחום הרפואה והבריאות בעולם. בבסיס מהפכה זו שני גורמים: הראשון הוא משבר עולמי במערכות הבריאות ובתעשיית הביו-פארמה, המונע מגידול חד בהוצאה על בריאות ובעלויות פיתוח תרופות חדשות. הגורם השני מתייחס לפריצות דרך טכנולוגיות בתחומי ההנדסה, הביולוגיה והרפואה המתרחשות בעולם בשנים האחרונות. מהפכה זו מצמיחה תעשייה רב-תחומית חדשה, המתבססת על חיבור בין טכנולוגיות שונות מתחומי הביולוגיה וההנדסה ומכונה ביו-קונברג'נס (Bio-Convergence).
תחום ביו-קונברג'נס משלב שיטות ודיסציפלינות מתחומי הביולוגיה עם תחומי ההנדסה (Convergence of Biology with Engineering) ונחשב לגל הטכנולוגי הבא של המאה ה-21. הגל הזה מבוסס על פריצות דרך טכנולוגיות שקרו בשנים האחרונות בתחומי ההנדסה והביולוגיה המאפשרות ליצור חיבורים ושילובים של תחומים שלא היו אפשריים בעבר. המהפכה הגנומית והירידה הדרמטית בעלות ומהירות ריצוף ה-DNA לצד יכולות אנליטיות מתקדמות לניתוח נתוני עתק (Big Data) כדוגמת בינה מלאכותית, טכנולוגיות חדשניות בתחום העריכה הגנטית (כדוגמת קריספר), פריצות דרך בתחומי ההנדסה שקידמו את תחום הביולוגיה הסינתטית, שילוב חומרים ננו טכנולוגיים בתרופות, מחקרים פורצים דרך באקדמיה בתחומים רבים שמשלבים גישה הנדסית בביולוגיה וגישה ביולוגית בהנדסה.
משבר עולמי של מערכת הבריאות עריכה
ההוצאה העולמית על בריאות מטפסת בצורה דרמטית וצפויה להגיע ל-10 טריליון דולר עד 2022. הגורמים העיקריים לגידול זה הם עלייה בתוחלת החיים המובילה להזדקנות האוכלוסייה, לצד שכיחות עולה של מחלות כרוניות כגון סרטן, מחלות לב וסוכרת[1]. כיום כ-50% מכלל האוכלוסייה בארצות הברית נחשבים לחולים כרוניים, והם מהווים כ-85% מהעלות הכוללת של שירותי הבריאות[2]. התערבות ואבחון רפואי מוקדם ויעיל יכולים למנוע או לעכב את רוב המחלות הכרוניות. לכן, מערכת הבריאות עוברת בשנים האחרונות שינוי משמעותי, וכיום שמה דגש רב יותר על התערבות מוקדמת יעילה ורפואה מונעת.
פריצות דרך טכנולוגיות ושילוב של טכנולוגיות גנטיות ודיגיטליות חדשניות יכולות לסייע בזיהוי ובהתמודדות עם המורכבות של מחלות כרוניות. כמו כן, הן מסייעות בזיהוי השלב "השקט" של מחלות אלה לפני התפרצות הסימפטומים המאוחרים. בהתאמה, מערכת הבריאות ממשיכה לעבור ממודל שבו הצלחה נמדדת בכמות החולים המטופלים (Volume Based Model) למודל שבו הצלחה נמדדת על בסיס איכות ויעילות הטיפול (Value Based Model) המתבטאת גם ביכולת למנוע טיפולים רפואיים. מעבר זה, הנדרש הן על ידי ממשלות ונותני השירות והן על ידי המטופלים עצמם, מניע את הצורך בחדשנות טכנולוגית, שתענה על הצרכים והאתגרים החדשים של מערכת הבריאות.
ממשלות העולם המערבי משקיעות הון עתק לשיפור ולשכלול מערכות הבריאות שמכבידות על ההוצאה הציבורית. בהשוואה בינלאומית של ההוצאה הלאומית על בריאות כאחוז מהתמ"ג בשנים 2018-1975, ההוצאות בישראל, ארצות הברית, בריטניה, קנדה, שווייץ ואוסטריה כאחוז מהתמ"ג במדינות אלה כמעט מוכפלות, ואף מעבר לכך[3].
מהפיכת הביו-קונברג'נס עריכה
פריצות דרך טכנולוגיות שקרו בשנים האחרונות מאפשרות ליצור חיבורים ושילובים של תחומים שלא היו אפשריים בעבר. המהפכה הגנומית, הירידה הדרמטית בעלות ומהירות ריצוף ה-DNA לצד בינה מלאכותית ו-Big Data, מובילות היום לפיתוח טכנולוגיות דיאגנוסטיקה מתקדמות המבוססות על מידע קליני, גנומי וברמת החלבון.
לצד הביו-טכנולוגיה ניתן לראות כיום את צמיחתו של תחום התרפיה הגנטית, הנמצא בחוד החנית של הרפואה המותאמת אישית. במקביל, צומח תחום הביולוגיה הסינתטית, המתבססת על הנדסה גנטית של מערכות ביולוגיות לצרכים רפואיים. בתחומים אלה אפשר למצוא שילוב של טכנולוגיות חדשניות כמו ריצוף DNA, יצירה וכתיבת גנים חדשים, בין היתר על ידי שימוש בטכנולוגית קריספר, מידול התנהגות של גנים ספציפיים ומדידה מדויקת של התנהגות גנים.
בצד ההנדסה, אנו עדים לשילובים רב-תחומיים המתבססים על פריצות דרך טכנולוגיות הנדסיות. טכנולוגיות אלה כוללות, לדוגמה, מזעור של רכיבים אלקטרונים עם חומרים "חיים" מהונדסים ורקמות, ביו-סנסורים חכמים, תקשורת והדפסות תלת מימד של רקמות. כל אלה הם הבסיס למנוע החדשנות הטכנולוגי שאותו מכנים ביו-קונברג'נס.
מהפכת הביו-קונברג'נס היא הצעד הבא במגמות הרפואה המותאמת אישית, לא רק ברמת החולה אלא גם ברמה המולקולרית, כך שהתרופה תותאם לסוג המחלה ברמת התא. כך, לדוגמה, טיפול פרטני מותאם אישית לא יתבסס רק על סמך בדיקות דיאגנוסטיות, אלא גם על שילוב של סנסורים ביולוגיים זעירים לניטור רציף של וירוסים, חיידקים ותאים סרטניים. תוצאות בדיקות אלה יאפשרו גילוי מוקדם של מחלות ומתן טיפול מונע. זאת ועוד, ננו-רובוטים חכמים יובילו תרופות בצורה מדויקת לתאים פגועים מבלי לפגוע בתאים בריאים.
דוגמאות יישומיות לביו-קונברג'נס עריכה
- ננו-רובוטיקה לשינוע תרופות (Drug Delivery): אחד האתגרים העיקריים היום בתחום התרופות הוא הצורך בהעברת התרופה בצורה יעילה ומדויקת יותר לאזור המחלה ולתאים ספציפיים. ננו-רובוטים המהונדסים ממערכות ביולוגיות (כמו DNA, תאים או חיידקים) לשינוע תרופות לתאי המטרה הם מערכות שינוע המסוגלות לאגור בתוכן תרופות וחומרים אחרים, להגיב לסביבה החיצונית כדי לזהות את האות לפריקת "מטען" התרופות, ולשחררו באופן מבוקר ברגע ובמיקום המתאימים.
- גילוי תרופות (Therapeutics Discovery): הצורך במודלים מחקריים חדשניים שיאפשרו חיזוי מדויק של התפתחות מחלות בקרב חולים הפך להכרחי כדי לשפר את דיוק ויעילות הטיפול. בנוסף, פתרונות הנדסיים חדשניים מאפשרים לייעל, להאיץ ואף להוזיל את פיתוחן של תרופות חדשות ולקדם רפואה מותאמת אישית בצורה מהירה ומדויקת. כך לדוגמה הטכנולוגיה של "איבר על שבב" מאפשרת לגדל רקמה אנושית בעלת פעילות מוגדרת של איבר מסוים (כליה - מסננת, לב - משאבה וכו') בסביבה נפרדת (שבב פלסטיק לדוגמה). ניתן לבחון על איבר זה את השפעותיה של תרופה חדשה, ועל ידי כך להאיץ את תהליכי הבדיקה של תרופות חדשות ולהוזיל את עלויות הבדיקה. מערכות מיקרו-פיזיולוגיות חדשניות אלה, המשלבות ידע עמוק בביולוגיה וביו-פארמה עם טכנולוגיות הנדסיות מתקדמות, מאפשרות לבצע ניסויים לתרופות חדשות. כבר מהשלבים הראשונים, הניסויים מותאמים לרקמה אנושית, המדמה טוב יותר את תהליך התפתחות המחלה בבני אדם. תהליך זה משפר בצורה ניכרת את היכולת לאתר תרופות יעילות ולהפחית בצורה משמעותית את השימוש בחיות מעבדה. יכולת זו חשובה מכיוון שמרבית התרופות שעוברות בהצלחה ניסויים בבעלי חיים - נכשלות בשלב הניסויים על בני אדם.
- רפואה רגנרטיבית (Regenerative Medicine): בעידן הביו-קונברג'נס, טכנולוגיות חדשניות בהנדסת רקמות ישנו את הטיפול באיברים פגועים. תחום זה יהיה מבוסס על טכנולוגיות הדפסת תלת מימד חדשניות (3D Tissues Bio Printing) שמאפשרות "לבנות" איברים חדשים ברזולוציה של תאים בודדים ובשילוב של ננו-חומרים חדשים[4]. תחום זה משלב גם ייצור שתלים היברידים "חכמים", הבנויים מחומרים ביולוגיים ומרכיבים אלקטרוניים (Cyborg Tissue) המשתלבים עם הרקמות. טכנולוגיות אלה יאפשרו בעתיד הלא רחוק להחליף רקמות ואיברים פגועים ברקמות חדשות עם תכונות משופרות.
- דיאגנוסטיקה וסנסורים ביולוגיים: אחד מאתגרי הבריאות הגדולים ביותר במאה ה-21 הוא צמצום השימוש באנטיביוטיקה, כדי להגביל את התפתחותם של חיידקים העמידים לאנטיביוטיקה. צמצום זה מחייב שיפור ביכולות האבחון בין זיהום חיידקי לוויראלי. חישה ביולוגית היא טכנולוגיה חדישה ומתפתחת, המשלבת ביו-טכנולוגיה עם ננו-טכנולוגיה. החישה הביולוגית משתמשת במולקולות ביולוגיות, כגון נוגדנים, אנזימים וחומצות גרעין ובחיידקים כדי לגלות ולזהות חומרים ספציפיים שונים. הביו-סנסורים הם מולקולות ביולוגיות מהונדסות גנטית שבהן נעשה איחוי בין חיישן לבין מערכת הדיווח. טכנולוגיה זו מאפשרת לייצר מרכיבי זיהוי עבור כל חומר כמעט, ופיתוחה מתקדם לכיוון סנסורים רגישים, ספציפיים, מהירים ויעילים יותר.
- אופטו-גנטיקה: טכנולוגיה חדשנית המשלבת הנדסה גנטית וטכנולוגיות מעולם הפיזיקה, כגון פולסים מהירים ומדויקים של אור ושימוש בסיבים אופטיים. מטרת האופטו-גנטיקה היא הפעלה ספציפית ומדויקת של רשתות נוירונים במוח באמצעות אור.
- חומרים "חיים" מהונדסים: חומרים מהונדסים המורכבים מתאים חיים היוצרים או מרכיבים את החומר עצמו או מווסתים את הביצועים התפקודיים של החומר. כך, לדוגמה, ניתן ליצור חומרים "חיים" (למכשור רפואי ולצרכים אחרים) שיש להם את מאפיינים של מערכות ביולוגיות: שכפול, ויסות וריפוי עצמי, היענות סביבתית וקיימות עצמית.
- ביו-אלקטרוניקה: מחקר רב-תחומי המשלב אלמנטים של כימיה, ביולוגיה, פיזיקה, אלקטרוניקה, ננו-טכנולוגיה ומדע חומרים. תחום זה ממנף יכולות טכנולוגיות חדשות המאפשרות לשלב ביו-מולקולות עם אלקטרוניקה כדי לפתח מגוון רחב של מכשירים פונקציונליים.
ביו-קונברג'נס בעולם עריכה
מחקר רב-תחומי, המשלב הנדסה עם ביולוגיה, קיים כבר שנים רבות באקדמיה בעולם וגם בישראל. בשנים האחרונות ניכרת האצה בתחום המקבלת ביטוי בהקמת מוסדות מחקר ומודלים חדשים במרכזים שונים בעולם. דוגמאות אפשר למצוא בארצות הברית כמו מכון WYSS באוניברסיטת HARVARD, מכון KOCH באוניברסיטת MIT, תוכניות BIO-X ו-Bio-Design שהוקמו באוניברסיטת סטנפורד, ומכון Weill Neurohub בתחום הנוירולוגיה בסן פרנסיסקו. מכונים אלה משלבים חוקרים ביולוגיים מתחומי מחקר שונים ביחד עם חוקרים מתחומי המתמטיקה, הפיזיקה, מדעי המחשב וההנדסה במטרה להאיץ פיתוח של טיפולים חדשניים.
גם מחוץ לארצות הברית, מדינות שונות משקיעות משאבים רבים בקידום מחקר רפואי רב-תחומי. לדוגמה, מכונים כמו KIST ו-KAIST בדרום קוריאה, המשלבים את מדעי המוח, חומרים ומדעי החיים עם מכונים בתחומי ננו-רובוטיקה, ננו-אלקטרוניקה ודיאגנוסטיקה. גם מכון CRUK לחקר הסרטן באנגליה הוא דוגמה למודל אקדמי רב-תחומי שהוקם לאחרונה.
הביו-קונברג'נס נמצא עדיין בראשיתו בתעשייה, אולם לאחרונה חברות הפארמה הגדולות זיהו את הפוטנציאל הטמון בו. חברות אלה מתחילות לחפש פתרונות חדשניים המשלבים בין תחומי ההנדסה לביו-פארמה תוך יצירת שיתופי פעולה עם חברות טכנולוגיה שונות. לדוגמה, ענקית התרופות הבריטית, GSK וחברת בת של גוגל, Verily, הקימו בשנת 2016 מיזם משותף בהשקעה של 715 מיליון דולר בתחום הביו-אלקטרוניקה לטיפול במחלות כרוניות[5]. מיזם משותף זה שנקרא Galvani Bioelectronics עוסק בפיתוח וביישום מסחרי של טיפולים רפואיים המתבססים על גירוי עצבי חשמלי. חברת SetPoint Medical גם היא חלוצה בתחום הביו-אלקטרוניקה לטיפול במחלות נוירולוגיות ומתבססת על שילוב של אימונולוגיה, מדעי המוח והנדסת אלקטרוניקה. בתחום הביולוגיה הסינתטית ניתן כיום למצוא כמה חברות המובילות את התחום בארצות הברית, ביניהן Zymergen ו-Ginkgo Bioworks[6].
ביו-קונברג'נס בישראל עריכה
תחום הביו-קונברג'נס מחייב בסיס ידע רב-תחומי, המשלב יכולות במחקר ובפיתוח לצד מובילות בתחומי ההנדסה, מדעי החיים ומכשור רפואי. סביבת החדשנות (Ecosystem) בישראל ממוצבת היטב ובעלת חוזקות רלוונטיות רבות ועם פוטנציאל ממשי לבנות אשכול (Cluster) ביו-קונברג'נס מוביל בעולם כמנוע חדשנות טכנולוגי תחרותי. יש בישראל תנאים שיאפשרו את צמיחתה ושגשוגה של תעשייה תחרותית עם ערך כלכלי גבוה.
לישראל מחקר מוביל בתחום מדעי החיים ומדעים מדויקים, והיא מדורגת במקום הרביעי במחקר רב-תחומי, במדד העולמי למספר ציטוטים ממוצע למאמרים שפורסמו[7]. ישראל נמצאת בחמישייה הראשונה במספר הפטנטים לנפש[8], ומכון ויצמן למדע דורג במקום השני בעולם בדירוג היוקרתי של "100 Nature Index"[9]. לישראל גם מרכזי מחקר קליניים מהמובילים בעולם[10].
בישראל תעשיית מכשור רפואי מבוססת, הכוללת יותר מ-600 חברות[11], ייצוא של כ-1.6 מיליארד דולר[12] ומרכזי מו"פ של חברות המכשור הרפואי המובילות בעולם (מדטרוניק, ג'נרל אלקטריק, פיליפס ועוד).
ישראל מובילה בתחומי הבינה המלאכותית, ובה תעשיית בריאות דיגיטלית משגשגת של יותר מכ-500 חברות, המבוססות ברובן על טכנולוגיות בינה מלאכותית.
בשנת 2020, רשות החדשנות הכריזה על תחום הביו-קונברג'נס כעל תחום בעדיפות לאומית. רשות החדשנות השיקה מספר כלים לתמיכה במיזמים טכנולוגיים בתחום, שיאפשרו את צמיחתו ושגשוגו של תחום זה בישראל ואת בנייתה של תעשייה תחרותית בעלת ערך כלכלי גבוה ומובילות בינלאומית.[13]
קישורים חיצוניים עריכה
הערות שוליים עריכה
- ^ Deloitte, [https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/global/Images/infographics/lifesciences-healthcare/gx-lshc-hc-outlook-2019-infographic.pdf 2019 Global Health Care Outlook]
- ^ Joseph C. Kvedar, Alexander L. Fogel, Eric Elenko, Daphne Zohar, Digital medicine's march on chronic disease, Nature Biotechnology 34, 2016-03, עמ' 239–246 doi: 10.1038/nbt.3495
- ^ OECD STAT
- ^ Nadav Noor, Assaf Shapira, Reuven Edri, Idan Gal, 3D Printing of Personalized Thick and Perfusable Cardiac Patches and Hearts, Advanced Science 6, 2019, עמ' 1900344 doi: 10.1002/advs.201900344
- ^ GSK and Alphabet's Verily create $715M joint venture in bioelectronics, FierceBiotech (באנגלית)
- ^ Ginkgo Bioworks and Zymergen scale up synthetic biology with robots | November 14, 2016 Issue - Vol. 94 Issue 45 | Chemical & Engineering News, cen.acs.org
- ^ SJR - International Science Ranking, www.scimagojr.com
- ^ חטיבת המחקר בקבוצת לוצאטו, דוח החדשנות הטכנולוגית הלאומי 2016-201, לוצאטו
- ^ Weizmann ranked #2 globally | Prestigious Nature ranking prioritizes quality, raising the profile of small but serious institutions, WeizmannCompass, 2019-06-25 (באנגלית)
- ^ "Newsweek" lists Sheba in world's top 10 hospitals, en.globes.co.il, 2020-03-05
- ^ IATI Report 2019
- ^ נתוני מכון היצוא, 2018
- ^ ביו-קונברג'נס באתר רשות החדשנות