Hydrogel crosslinking mechanisms influence the release and functional delivery of lipid nanoparticles

لطالما كانت اللقاحات درعنا الأقوى ضد الأمراض المعدية، حيث تُعلم الجهاز المناعي كيفية التعرف على الغزاة وهزيمتهم قبل أن يسببوا الضرر. ولعقود من الزمن، اعتمد هذا التدريب على حقن جزء من الجرثومة نفسها، أو نسخة غير ضارة منها، لإثارة استجابة. وفي السنوات الأخيرة، ظهرت تقنية أحدث وأكثر مرونة: لقاحات الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA). فبدلاً من إيصال جزء من الفيروس، تقوم هذه اللقاحات بإيصال مجموعة من التعليمات الجينية التي تخبر خلايانا ببناء بروتين معين، مما يدرب الجهاز المناعي بنفس الفعالية. ولإدخال هذه التعليمات الهشة داخل خلايانا، يقوم العلماء بتغليفها في فقاعات مجهرية صغيرة مصنوعة من الدهون، تُعرف باسم الجسيمات النانوية الدهنية. تحمي هذه الفقاعات الشحنة الجينية وتساعدها على التسلل عبر الجدار الخارجي للخلية. ومع ذلك، لا يزال هناك تحدٍ قائم: فبمجرد حقن هذه التعليمات، غالباً ما تُستهلك بسرعة، وتتلاشى إشارة التدريب. وفي المقابل، غالباً ما تقدم الطبيعة تهديدات تستمر لأيام أو أساءات، مما يمنح الجهاز المناعي وقتاً لبناء دفاع أقوى وأطول أمداً. وقد تساءل العلماء طويما عما إذا كان بإمكانهم إنشاء نظام توصيل يطلق هذه التعليمات ببطء، مما يبقي إشارة التدريب نشطة لفترة أطول، تماماً مثل كبسولة طبية بطيئة التحلل.

وضع فريق من الباحثين هدفاً لحل هذه المشكلة من خلال اختبار ما إذا كانت مادة لينة تشبه الهلام تسمى "الهيدروجيل" يمكن أن تعمل كحيز احتجاز لهذه الفقاعات الدهنية. الهيدروجيل عبارة عن شبكات من الجزيئات التي تحبس الماء، مكونةً بنية هي في الغالب سائلة ولكنها تحافظ على شكلها، تشبه إلى حد كبير حلوى الجيلاتين الناعمة جداً. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم خلط فقاعات اللقاح داخل هذا الهلام وتركها تتسرب ببطء بمرور الوقت. لكنهم أدركوا أن ليست كل أنواع الهلام متشابهة؛ فبعضها تتماسك روابطه بواسطة روابط كيميائية قوية، والبعض الآخر بواسطة تجاذبات كهربائية، وبعضها من خلال تشابك البروتينات بشكل طبيعي. اشتبه الفريق في أن الطريقة المحددة التي بُني بها الهلام ستغير كيفية حركة الفقاعات، ومدى بقائها آمنة، وما إذا كانت لا تزال قادرة على أداء وظيفتها بمجرد ظهورها. ولإيجاد الإجابة، صنعوا أربعة أنواع مختلفة من الهيدروجيل، لكل منها طريقة فريدة في الحفاظ على شكله، وحملوها بفقاعات اللقاح.

تحقق العلماء أولاً مما إذا كانت الفقاعات تستطيع البقاء على قيد الحياة داخل هذه الهلامات. استخدموا نوعين من الفقاعات: إحداهما مملوءة بصبغة مضيئة لتتبع حركتها، والأخرى مملوءة بالتعليمات الجينية الفعلية لصنع بروتين فلوري. وضعوا هذه الفقاعات في الأنظمة الهيدروجيلية الأربعة وراقبوا ما يحدث على مدار عدة أيام. وجدوا أن جميع أنواع الهلام الأربعة سمحت بخروج الفقاعات في النهاية، لكن سرعة وكمية المواد التي خرجت تباينت بشكل كبير اعتماداً على وصفة الهيدروجيل. كانت الروابط الكيميائية التي تمسك النوع الأول من الهيدروجيل تسمح بأكبر قدر من التحكم؛ فمن خلال تغيير كمية المواد المستخدمة، استطاع الباحثون جعل الفقاعات تخرج بسرعة أو ببطء. ومع ذلك، حتى في هذا السيناريو الأفضل، تسرب بعض الصبغة المضيئة من الفقاعات قبل استعادة الفقاعات بالكامل، مما يشير إلى أن الفقاعات تعرضت لبعض الإجهاد. وفي نوع آخر من الهيدروجيل، الذي تتماسك روابطه عبر شحنات كهربائية، خرجت الفقاعات، لكنها أصبحت أكثر تشتتاً وأقل تجانساً في الحجم. أما النوع الثالث، المكون من مادة حساسة للحرارة تتحول إلى هلام عند التسخين، فقد أطلق الفقاعات بسرعة كبيرة، لكن الهيدروجيل نفسه تحلل بسرعة كبيرة لدرجة أنه كان من الصءب فصل الفقاعات عن المواد المتبقية. أما النوع الرابع، المكون من بروتينات طبيعية توجد في الجسم، فكان الأكثر تعقيداً؛ وبينما كان من الصعب قياس عدد الفقاعات التي خرجت بدقة لأن الهيدروجيل لم يتحلل بالكامل، إلا أن الفقاعات التي ظهرت كانت في حالة ممتازة.

ثم نظر الباحثون في الفقاعات نفسها لمعرفة ما إذا كانت رحلتها عبر الهيدروجيل قد غيرتها. استخدموا مجهراً قوياً يمكنه رؤية الجسيمات الفردية وهي مجمدة في طبقة رقيقة من الجليد. واكتشفوا أن الفقاعات تبدو مختلفة اعتماداً على درجة الحرارة التي حُفظت فيها. فالفقاعات التي حُفظت في بيئة باردة بدت مرتخية وغير منتظمة نوعاً ما. لكن الفقاعات التي حُفظت في درجة حرارة الجسم، سواء كانت في أنبوب اختبار أو خرجت للتو من الهيدروجيل، بدت أكثر تماسكاً وكثافة. حدث هذا التغيير حتى بدون وجود الهيدروجيل، ببساطة بسبب الدفء، مما يشير إلى أن الفقاعات تتقلص وتصبح أكثر تماسكاً بشكل طبيعي عندما تسخن. والأهم من ذلك، وجد الباحثون أن الهيدروجيلات لم تكسر الفقاعات أو تدمر هيكلها؛ إذ ظلت الجسيمات سليمة وجاهزة للعمل.

كان الاختبار الأهم هو ما إذا كان بإمكان الفقاعات لا تزال إيصال رسالتها بعد خروجها من الهيدروجيل. وضع الفريق الهيدروجيلات فوق طبقة من الخلايا البشرية في طبق مختبري وانتظروا حتى تنجرف الفقاعات للأسفل وتدخل الخلايا. وجدوا أن الخلايا استوعبت الفقاعات بنجاح من جميع أنواع الهيدروجيل. وعندما تحققوا مما إذا كانت الخلايا قد تلقت التعليمات وبدأت في صنع البروتين، كانت النتائج واضحة. الفقاعات التي سافرت عبر الهيدروجيل القائم على البروتين كانت فعالة تماماً مثل تلك التي لم تكن في هيدروجيل على الإطلاق، حيث أنتجت مستويات عالية من البروتين المستهدف. كما عملت الفقاعات من الهيدروجيل المرتبط كيميائياً بشكل جيد، رغم أن أدائها انخفض قليلاً مع زيادة كثافة الهيدروجيل. أما الفقاعات من الهيدروجيل المشحون كهربائياً والهيدروجيل الحساس للحرارة فقد أظهرت أداءً منخفضاً، حيث واجه الأخير صعوبة في إيصال الرسالة بفعالية، رغم أن الفقاعات نفسها نجت من الرحلة.

تكشف هذه النتائج أن المادة المستخدمة لحمل اللقاح لا تقل أهمية عن اللقاح نفسه. فبينما تمكنت جميع أنواع الهيدروجيل المختبرة من إطلاق الفقاعات، فإن الطريقة المحددة التي بُني بها الهيدروجيل هي التي حددت مدى قدرة الفقاعات على الحفاظ على شكلها ومدى قدرتها على إيصال حمولتها. وقد أثبت الهيدروجيل القائم على البروتين، والذي يحاكي البيئة الطبيعية للجسم، أنه الأكثر واعداً، حيث حافظ على القوة الكاملة لتعليمات اللقاح. وتظهر الدراسة أنه من الممكن إنشاء نظام إطلاق بطيء لهذه اللقاحات المتقدمة، ولكن ذلك يتطلب اختياراً دقيقاً لمادة التوصيل. ومن خلال اختيار النوع الصحيح من الهيدروجيل، يمكن للعلماء نظرياً إطالة الوقت الذي يرى فيه الجهاز المناعي اللقاح، مما يؤدي إلى حماية أقوى وأطول أمداً ضد الأمراض. ويوفر هذا العمل مساراً واضحاً للمضي قدماً في تصميم أنظمة توصيل لقاحات أفضل تحافظ على نشاط إشارة التدريب في الجسم لأطول فترة ممكنة.