Computational modelling reveals advantages of ventricular over atrial cardiomyocytes to power self-guided biorobots

تخيل عالماً حيث يمكن لآلات حية متناهية الصغر أن تسبح عبر مجرى دمك، وتطارد ورماً مثل كلب صيد يتتبع رائحة ما، ثم تطلق الدواء مباشرة عند المصدر. هذا ليس من الخيال العلمي؛ بل هو آفاق "الروبوتات الحيوية" (biorobotics). يحاول العلماء بناء روبوتات لا تُصنع من المعدن والتروس، بل من خلايا حية. الفكرة الكبرى هي استخدام خلايا ترغب طبيعياً في الحركة أو الانقباض — مثل خلايا عضلة القلب — لتشغيل هذه الأجهزة الصغيرة. لماذا يهم هذا؟ لأن إعطاء الدواء لشخص مريض يعني عادةً إغراق جسمه بالكامل بالأدوية، مما قد يؤذي الأجزاء السليمة. أما إذا استطاع الروبوت العثور على البقعة المريضة بمفرده، فيمكنه تقديم العلاج بدقة حيث تشتد الحاجة إليه، مما يحمي بقية الجسم من الآثار الجانبية. لكن هناك عقبة: هذه الروبوتات تحتاج أن تكون ذكية بما يكفي لتجد طريقها، وقوية بما يكفي للتحرك دون الحاجة إلى تدخل بشري يدفعها باستخدام المغناطيس أو الليزر من الخارج.

يتعمق هذا البحث في محاكاة حاسوبية لحل لغز محدد: أي نوع من خلايا القلب يشكل أفضل محرك لهذه الروبوتات الصغيرة؟ قام الباحثون ببناء روبوت افتراضي على شكل حرف "H" مكون من أذرع سيليكون ناعمة وقضيب ذهبي، مغطى بخلايا قلب حية. أرادوا معرفة ما إذا كان الروبوت سيتحرك بشكل أفضل إذا جاءت الخلايا من الحجرات العلوية للقلب (الأذينين) أو من الحجرات السفلية الأكثر جهداً (البطينين). كما اختبروا ما إذا كان بإمكان الروبوت توجيه نفسه نحو المناطق ذات مستويات الأكسجين المنخفضة، وهو علامة شائعة للأورام. ومن خلال إجراء آلاف السباقات الافتراضية، اكتشفوا أن نوع الخلية يهم أكثر مما ظن الجميع. فقد جعلت "الخلايا البطينية"، وهي أقوى بطبيعتها، الروبوت ينطلق بسرعة أكبر ويدور بحدة أكثر من "الخلايا الأذينية"، وكل ذلك مع استخدام نفس القدر من الطاقة. اتضح أن اختيار الجزء البيولوجي الصحيح لا يقل أهمية عن تصميم شكل الروبوت.

سباق الروبوت: خلايا القلب ضد خلايا القلب

فكر في هذه الدراسة كأنها سباق سيارات عالي التقنية، ولكن بدلاً من المحركات، تعمل السيارات بخلايا قلب حية صغيرة. أنشأ الباحثون روبوتاً افتراضياً على شكل حرف "H". له ذراعان طويلتان مصنوعتان من مادة ناعمة ومطاطية (مثل شريط مطاطي شديد المرونة) وقضيب ذهبي صلب يربط بينهما في المنتصف. ولجعل هذا الروبوت يتحرك، قاموا بلصق آلاف الخلايا القلبية لجرذ حديث الولادة على الأذرع. تمتلك هذه الخلايا قدرة خارقة: فهي تنقبض وتنبسط بشكل طبيعي، تماماً كما ينبض قلبك.

ولتحويل ذلك الانقباض إلى حركة للأمام، يستخدم الروبوت خدعة ذكية تسمى "المسار الاحتكاكي" (friction ratchet). تخيل دودة الأرض أو الثعبان وهو يتحرك عبر الأرض؛ لديهم حراشف صغيرة تمسك بالأرض بإحكام عندما يدفعون للخلف، لكنها تنزلق بسهولة عندما يدفعون للأمام. هذا الروبوت يحاكي ذلك. فبينما تنقبض الخلايا القلبية، فإنها تخلق موجة من الحركة تنتقل عبر الذراع. ولأن الروبوت يمسك بالأرض بشكل أفضل في اتجاه واحد أكثر من الآخر، فإن كل انقباض يدفعه قليلاً إلى الأمام.

أجرى العلماء محاكاة ضخمة لمعرفة كيف ستؤدي أنواع مختلفة من خلايا القلب في هذا الروبوت. قارنوا بين الخلايا الأذينية (من الحجرات العلوية للقلب) مقابل الخلايا البطينية (من الحجرات السفلية). في الجسم الحقيقي، تعتبر الخلايا البطينية هي التي تقوم بالأعمال الشاقة؛ فهي تضخ الدم إلى كامل الجسم، لذا فهي مبنية لتكون أقوى. أما الخلايا الأذينية فتضخ الدم لمسافة قصيرة فقط نحو الرئتين، لذا فهي أكثر استرخاءً.

كانت النتائج انتصاراً ساحقاً للخلايا البطينية. في سباق الخط المستقيم، تحرك الروبوت الذي تعمل به الخلايا البطينية بسرعة أكبر بـ 4.35 مرة من الروبوت الذي تعمل به الخلايا الأذينية. هذا يشبه عداءً يتفوق على شخص يمارس الجري الخفيف بفارق هائل. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أنهم لم يكتفوا بالسرعة فحسب، بل كانوا بنفس الكفاءة أيضاً. "تكلفة النقل" — والتي تعني أساساً مقدار الطاقة اللازمة لقطع مسافة معينة — كانت متقاربة جداً لكليهما. لقد حصل الروبوت البطيني على دفعة سرعة هائلة دون حرق وقود إضافي.

التوجيه عبر الشم: بوصلة الأكسجين

الجزء الثاني من التجربة كان أكثر روعة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكان الروبوت توجيه نفسه. غالباً ما تحتوي الأورام والأنسجة المريضة الأخرى على مستويات منخفضة من الأكسجين (نقص الأكسجة). قام العلماء ببرمجة الروبوت لاستشعار الأكسجين. إذا استشعرت جهة واحدة من الروبوت أكسجيناً أقل من الجهة الأخرى، فسيقوم الروبوت بإبطاء تلك الجهة، مما يؤدي إلى دوران الروبوت نحو "رائحة" المنطقة ذات الأكسجين المنخفض.

عندما قاموا بتفعيل خاصية التوجيه، لم يكتفِ الروبوت البطيني بالتحرك بشكل أسرع فحسب، بل كان يلتف بشكل أفضل أيضاً. لقد غير اتجاهه بفعالية أكبر بـ 2.91 مرة من الروبوت الأذيني. لماذا؟ لأن الخلايا البطينية كانت أقوى، فكان الفرق في القوة بين الجانب الأيسر والأيمن يخلق دوراناً أكثر حدة. الأمر يشبه امتلاك سيارة بمحرك قوي في جانب واحد ومحرك ضعيف في الجانب الآخر؛ الجانب القوي يسحب السيارة حول المنعطف بشكل أكثر حزماً.

ماذا يعني هذا للمستقبل

لا تدعي هذه الورقة أن هذه الروبوتات جاهزة للحقن في المرضى غداً. تأتي هذه النتائج من نموذج حاسوبي، عالم افتراضي حيث القواعد مثالية والاحتكاك مضبوط تماماً. ويعترف الباحثون بأن الأمور في العالم الحقيقي المعقد لجسم الإنسان قد تكون مختلفة قليلاً. ومع ذلك، تثبت المحاكاة نقطة حيوية: اختيار نوع الخلية هو "متغير تصميمي" يمكن للمهندسين تعديله.

لفترة طويلة، ربما كان العلماء يختارون فقط أي خلايا قلب يسهل الحصول عليها. تشير هذه الدراسة إلى أنه إذا كنت تريد روبوتاً سريعاً ورشيقاً وذاتي التوجيه، فيجب عليك تحديداً اختيار الخلايا البطينية القوية والمتينة. إنه يشبه إدراكك أنه إذا كنت تريد سيارة سباق، فلا يجب أن تستخدم أي محرك؛ بل تحتاج إلى محرك V8، وليس محركاً رباعي الأسطوانات.

يخلص المؤلفون إلى أنه من خلال التعامل مع نوع الخلية كخيار تصميمي، يمكننا بناء روبوتات حيوية أفضل. يمكن لهذه الآلات الصغيرة أن تتنقل يوماً ما عبر الأنفاق المعقدة والمنخفضة الأكسجين للأورام، لتوصل الدواء مباشرة إلى الخلايا السرطانية بينما تترك الأنسجة السليمة وشأنها. وبينما يظل الروبوت في هذه القصة مجرد حلم رقمي حالياً، فإن الدرس الذي يعلمه حقيقي: في عالم الآلات الحية، النوع البيولوجي الذي تختاره لا يقل أهمية عن الهندسة التي تبنيها.