הנדסת ננוטכנולוגיה וביומרקרים לפריצות דרך גדולות

פרופ' חוסאם חאיק הוא מומחה בתחום הננוטכנולוגיה ואבחון מחלות באמצעים לא פולשניים. עבודתו כוללת מחקר ופיתוח של ננו-חייישנים לאבחון וניטור מחלות, חיישנים כימיים (גמישים) מבוססי ננו-חומרים, עור אלקטרוני, ניתוח נשימה, סמנים ביולוגיים נדיפים, ותקשורת בין תאית. פרופ' חאיק קיבל יותר מ-80 פרסים נחשבים ברחבי העולם על עבודותיו, כולל תואר אביר מסדר (הוענק על ידי ממשלת צרפת), פרס המחקר הבכיר של הומבולדט, פרס החדשנות של רכיבים ומערכות אלקטרוניות (ECS) של האיחוד האירופי, ופרס מייקל ברונו למדענים יוצאי דופן. הוא גם נכלל ביותר מ-40 רשימות דירוג בינלאומיות חשובות, כמו 35 המדענים הצעירים המובילים בעולם מתחת לגיל 35 על ידי מגזין MIT (2008), ו-100 הממציאים המובילים בעולם (2015-2018) על ידי ארגונים בינלאומיים שונים.

פרופ' חאיק החל את דרכו האקדמית בטכניון – המכון הטכנולוגי הישראלי, שם הוענק לו תואר ראשון, תואר שני, ודוקטורט בהנדסה כימית. כדי לצבור ניסיון נוסף, הוא השלים שתי הכשרות פוסט-דוקטורט: אחת במכון ויצמן למדע והשנייה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech). ב-Caltech חקר חיישנים מבוססי ננו-חומרים לזיהוי מחלות, שהיוו את הבסיס למחקריו המאוחרים בתחום הננו-טכנולוגיה. בשנת 2006 הוא חזר לטכניון ובשקידה טיפס בסולם הדרגות כדי לקבל פרופסור מן המניין בשנת 2011. כיום, הוא מומחה עולמי ידוע בתחום פיתוח חיישנים מבוססי ננו-חומרים לאבחון מחלות ויישומים קשורים. בנוסף למחקר החדשני שלו בטכניון, הוא משמש גם כדיקן ללימודי תואר ראשון במוסד. "ההתלהבות שלי לחנך ולהדריך את דורות העתיד של המדענים והמהנדסים היא בלתי מוגבלת", אומר פרופ' חאיק, "ואני מחפש באופן עקבי אחר דרכים חדשניות להניע ולהפעיל את הסטודנטים שלי".

פרופ' חאיק מצא את ייעודו במחקר ומוצא את תהליך המענה על חידות וחשיפת ידע חדש מעורר מוטיבציה להפליא. "כמו חוקרים רבים, אני נמשך לאתגר של פתרון בעיות מורכבות ולמציאת תשובות לשאלות קשות. מבחינתי, העובדה שמענה על שאלה אחת מובילה לרוב לכמה שאלות נוספות חדשות אינה מייאשת אלא ממריצה. אני פורח בתהליך של חקר וגילוי, דוחף ללא הרף את גבולות הידע ופותח אפיקים חדשים של חקירה". הוא מעיד על עצמו שהוא תמיד מונע לענות על כל שאלה שהוא נתקל בה. "אני רואה בכל חידה חדשה הזדמנות לתרום תרומה משמעותית לתחום שלי ולחברה כולה. המסירות וההתמדה שלי במרדף אחר ידע הובילו אותי לגילויים פורצי דרך ופתרונות חדשניים לבעיות בעולם האמיתי. ריגוש של גילוי והאפשרות לענות על שאלות שחמקו מאחרים מעניקים לי מוטיבציה להמשיך בעבודתי".

הנדסה כימית מגשרת בין התשוקה של פרופ' חאיק למדע לבין רצונו להשפיע לטובה על העולם והעניין שלו במחקר בין-תחומי. "זהו תחום שמציג כל הזמן אתגרים והזדמנויות חדשות לחדשנות, ואני נרגש להמשיך ולחקור את הפוטנציאל שלו באמצעות המחקר שלי". ואכן, תמיד היה לו עניין רב במדעים ובמתמטיקה, והנדסה כימית היא תחום המשלב את שני המקצועות הללו בצורה מעשית ויישומית. "אני מוצא שהאתגר של יישום עקרונות מדעיים על בעיות בעולם האמיתי מתגמל ומעורר מוטיבציה להפליא", הוא אומר, ומוסיף "אני מוקסם מהדרכים שבהן ניתן להשתמש בהנדסה כימית כדי להתמודד עם כמה מהאתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני העולם שלנו כיום, כמו שינויי אקלים והצורך במקורות אנרגיה ברי קיימא". למהנדסים כימיים יש פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על ידי פיתוח טכנולוגיות ותהליכים חדשים שיכולים להפחית את הנזק הסביבתי ולקדם עתיד בר קיימא יותר. הוא משלב אלמנטים של כימיה, פיזיקה, ביולוגיה ותחומים אחרים. זה מאפשר מגוון רחב של הזדמנויות מחקר ופוטנציאל לשתף פעולה עם מומחים בתחומי מחקר מגוונים.

מחקרו של פרופ' חאיק מתמקד בחקר סמנים ביולוגיים של מחלות שניתן למדוד בשיטות לא פולשניות ובהנדסת טכנולוגיות חסכוניות, נגישות לכולם. קבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרת סמנים ביולוגיים נדיפים, אינטראקציה תאית המסתמכת על סמנים נדיפים, חיישנים כימיים הבנויים מננו-חומרים, 'עור אלקטרוני' המרפא את עצמו, בדיקות נשימה ועוד. כדי לקבל תובנות לגבי סמנים ביולוגיים נדיפים, הם משלבים גישות ספקטרוסקופיות וספקטרומטריות חדשניות המונעות על ידי ננוטכנולוגיה ומבצעים ניסויי in vivo (בתוך אורגניזם), in vitro (במבחנה, בסביבה מלאכותית) ו-ex vivo (באמצעות רקמות חיות בסביבה חיצונית). המחקרים המוקדמים שלהם הראו שלסרטן יש 'חתימה מולקולרית' נדיפה ייחודית, בדיוק כמו 'טביעת אצבע' מולקולרית, בעת ניתוח נשיפה. תצפית זו הפכה לנקודת המפנה העיקרית בהקמת התחום החדש של וולטולומיקה (volatolomics). קבוצת המחקר של פרופ' חאיק תכננה גם מערך חיישנים אינטליגנטי שניתן ללמד בעזרת אלגוריתמים חכמים – בדיוק כפי שניתן ללמד כלבים לזהות ריחות שונים. כתוצאה מכך, הם בנו מכשיר המנתח נשימה במחיר סביר וקל משקל – דומה בגודלו לדיסק-און-קי. מכשיר זה, המבוסס ננו-חומרים, מזהה מגוון מחלות כגון סוגים שונים של סרטן (כולל ריאות, קיבה, שחלות, מעי גס, גידולי שד, ראש וצוואר), הפרעות כליות כרוניות ואקוטיות, מחלות כבד, יתר לחץ דם ריאתי עורקי, שחפת, ומחלות אחרות. אופיו נטול כאבים, הפעולה הפשוטה שלו, האבחנה המהירה והמחיר הזול הופכים אותו לאטרקטיבי יותר מאשר השיטות האחרות הקיימות כיום.

קבוצתו של פרופ' חאיק המציאה גם טכנולוגיית 'עור אלקטרוני' לריפוי עצמי, הדומה ליכולת העור האנושי לתקן את עצמו. התקן זה יכול לשמש עבור מספר יישומים, בין היתר עבור מכשירים ביו-רפואיים ורובוטיקה עתידית מתקדמת. האנליזה אשר מבצע העור המלאכותי בעזרת הגאדג'טים הלבישים שלהם הינה חיונית ביותר בתחום הבריאות, ומאפשרת לאנשים לעקוב אחר מצב בריאותם באופן קבוע. המכשירים החדשניים הללו מציעים פתרון חסכוני ונגיש, ויש להם פוטנציאל להמציא מחדש את מערכת הבריאות כפי שאנו מכירים אותה. גאדג'טים אלה מודדים סמנים ביולוגיים נדיפים על העור, ומספקים סימנים למחלות שונות כגון סרטן, סוכרת וקורונה. עם מעקב אחר סמנים ביולוגיים אלה בזמן אמת, המכשירים מסוגלים לזהות אזהרות מוקדמות על מחלות שיכולות לעזור לחולים לקבל סיוע רפואי מתאים בזמן. יתרה מכך, הגאדג'טים קלים וזולים, מה שהופך אותם לזמינים לכולם, ללא קשר למעמד הכלכלי או מקום מגורים.

לאורך הקריירה המקצועית שלו, פרופ' חאיק הוביל עשרות פרוייקטים של שיתופי פעולה צוותי חוקרים, בין אם ברמה הלאומית ובין אם ברמה העולמית, לרבות בתי חולים, חברות סטארטאפ ועסקים ענקיים, מוסדות ללא מטרות רווח, אקדמיות ועוד. פרופ' חאיק הקים חמש חברות בין-לאומיות בשווי של מיליוני דולרים רבים עם למעלה מ-55 משתפי פעולה מכל העולם. כדי להבטיח שיתופי פעולה מוצלחים, "אני מקפיד על ארבעה מרכיבים עיקריים", הוא אומר, "ערך, כיוון מדעי/הנדסי, מעורבות, ותשתית".

קבוצת המחקר של פרופ' חאיק, הנקראת גם המעבדה להתקנים מבוססי ננו-חומרים (LNBD), משתמשת במגוון רחב של אסטרטגיות לחשיפת סמנים ביולוגיים של מחלות ולבניית טכנולוגיות לבישות. אסטרטגיות אלו מורכבות משיטות ספקטרוסקופיות וספקטרומטריות הנעזרות בננו-טכנולוגיה המשתמשות בחיישנים כימיים מבוססי ננו-חומרים כדי לזהות סמנים ביולוגיים נדיפים בנוזלי גוף; ניסויים in vivo, in vitro ו-ex vivo  לפיתוח הבנה טובה יותר של סמנים ביולוגיים נדיפים והרלוונטיות שלהם לאבחון וניטור מחלות; למידת מכונה ואלגוריתמים חכמים ליצירת מערכי חיישנים חכמים; ומדע והנדסת חומרים ליצירת 'עור אלקטרוני' בעל יכולות ריפוי עצמי וטכנולוגיות לבישות אחרות. המחקר שנערך על ידי הקבוצה מחייב טכניקות רב-תחומיות המשלבות ננוטכנולוגיה, מדעי החומר, הנדסה, כימיה וביולוגיה כדי לייצר פתרונות חדשניים לאיתור וניטור מחלות.

קבוצת המחקר של פרופ' חאיק חוקרת כיום את התקשורת בין תאים כשיטה לאבחון וטיפול במחלות עוד לפני שהסימפטומים שלהן מתבטאים. "בפשטות", אומר חוסאם, "כאשר תאים סרטניים נוצרים, הם משחררים אותות 'שקריים' מסוימים המורכבים מסמנים נדיפים כדי למשוך ולגייס תאים בריאים אחרים לצבא התאים הממאירים שלהם. מסרונים אלה משמשים כהבטחה לגוף שהכל בסדר, ואין צורך לנקוט באמצעי הגנה מפני הכוח הפולש. מבלי לדעת, התאים הבריאים מקבלים הזמנה זו והופכים מבלי משים לחלק מהמסה הסרטנית ההולכת וגדלה. באופן זה, התאים הסרטניים יכולים להתרחב עוד יותר על ידי שימוש של מערכת החיסון עצמה – 'כוח המשטרה' של הגוף – בכך שהיא מסייעת לתאים הממאירים, במקום לתקוף אותם. במהלך תהליך זה, מסרונים כימיים מסוימים השייכים לקטגוריות אמיתיות ושקריות כאחד, בורחים מהגוף לתוך את הדם, ובסופו של דבר עושים את דרכם אל העור, הנשימה ונוזלי הגוף האחרים שלנו. נכון לעכשיו, אנו נמצאים בשלב מתקדם של אפיון המסרים הללו ופענוחם המדויק". על מנת לממש חזון זה, קבוצתו של פרופ' חאיק מפתחת מכשירים מתקדמים המסוגלים לחוש ולפענח את המסרונים הנפלטים מהתאים מבלי לחדור ממש לגוף. "תארו לעצמכם אם היו לנו גאדג'טים מיניאטורים שיכלו לנטר ולפענח את המסרונים ללא צורך בהתערבות ידנית", אומר חוסאם, "ולאחר מכן לנקוט בפעולות מתקנות לטיפול במחלה בשלביה הראשונים, אולי אפילו חמש עד חמש עשרה שנים לפני שהיינו שמים לב לקיומה של המחלה באמצעים סטנדרטיים." פרופ' חאיק גם שואפ שהגאדג'טים החדשניים יהיו זמינים עבור אנשים מכל רקע החברתי-כלכלי, "לא רק עבור אלה שיש להם גישה לתשתית מספקת, אלא אפילו עבור אלה שחיים בעוני קיצוני ושורדים על דולר אחד בלבד ביום."

טכנולוגיה פורצת דרך נוספת שקבוצתו של פרופ' חאיק מפתחת הינה עבור מאבק בבעיות סביבתיות ובריאותיות בקנה מידה עולמי, אשר עלולה להידרש במקרה של לוחמה ביולוגית, חומרי הדברה שיצאו משליטה ומגע עם פסולת גרעינית. קבוצת המחקר מפתחת גישה דינמית לניטור הסביבה/גוף האדם בקנה מידה עולמי ממיליארדי חיישנים הנמצאים בכל מקום המספקים נתונים כל הזמן. כמות הנתונים האדירה הזו שנוצרת מהחיישנים צריכה להיווצר ללא מאמץ ובאופן אוטונומי בכל מקום ובכל זמן הן בקנה מידה מקומי והן בקנה מידה עולמי עם מינימום התערבות אנושית.

"גם כמדען וגם כדיקן ללימודי תואר ראשון בטכניון, אני תמיד אוהב לדון ברעיונות שיועילו לדור הצעיר של הסטודנטים. אני מסתכל אחורה בחיבה רבה על הימים שבהם הייתי סטודנט בעצמי, מאזן בין דרישות רבות בו-זמניות. אילו יכולתי לתת חמש עצות לסטודנטים בתחילת דרכם, הייתי אומר:

• עשו את מה שמלהיב אתכם.
• חישבו אחרת: נסו לחקור רעיונות חדשים מבלי לתת לרעיונות הישנים לעכב אתכם.
• צברו כמה שיותר ניסיון: אוניברסיטה היא הזדמנות מושלמת לנסות דברים חדשים – ספורט או אגודות חדשות, התמחויות בנושאים נבחרים, או תפקידים ואחריות שונים בפרויקט או בצוות.
• הרחיבו את האופקים ונצלו כל הזדמנות כדי להרחיב את התודעה.
• אמצו את הכישלון: על ידי אימוץ הכישלון, אנו מקבלים את עצמנו ואת מצבנו כחלק מהחיים.

לסטודנטים לתואר ראשון השוקלים המשך לימודים לתארים מתקדמים, פרופ' חייק ממליץ להתמקד בהנחת בסיס חזק בתחום לימוד ספציפי. זה עשוי לכלול לקיחת קורסים מתקדמים, ביצוע מחקר או יצירת פרויקטים המציגים את כישוריהם ותחומי העניין שלהם. כמו כן, יש לטפח יכולות תקשורת ושיתוף פעולה, שכן הן הכרחיות בכל תכנית לתואר מתקדם (תואר שני או דוקטורט). סטודנטים לתואר ראשון יכולים לפתח מיומנויות כאלה על ידי השתתפות בפרויקטים קבוצתיים, מעורבות בארגוני סטודנטים והמשך התמחות או התנסויות אחרות המחייבות עבודה עם אחרים. בנוסף, על בוגרי תואר ראשון לשאוף לבקש הדרכה וייעוץ מאלו באותו תחום לימודים. הם יכולים לפנות ליועצים פוטנציאליים לתארים מתקדמים, וללכת לסמינרים ולכנסים כדי ליצור קשרים ולהישאר מעודכנים בטרנדים האחרונים בתחום שלהם.