Bridging scale-up to transplantation: pluripotent stem cell-derived pancreatic islet encapsulation in emulsion-generated high concentration alginate beads

يعد مرض السكري من النوع الأول حالة يقوم فيها جهاز المناعة في الجسم بتدمير الخلايا المحددة في البنكرياس التي تنتج الأنسولين عن طريق الخطأ، وهو هرمون ضروري لتنظيم سكر الدم. وبدون هذه الخلايا، يجب على المصابين الاعتماد على حقن الأنسولين اليومية للبقاء على قيد الحياة. ولعقود من الزمن، بحث العلماء عن وسيلة لاستبدال هذه الخلايا المفقودة، آملين في استعادة قدرة الجسم الطبيعية على إدارة الجلوكوز. ويتضمن أحد المسارات الواعدة إنشاء خلايا جديدة منتجة للأنسولين من الخلايا الجذعية، وهي خلايا غير ناضجة قادرة على التحول إلى أنواع عديدة من الأنسجة. ومع ذلك، فإن تحويل هذه الخلايا الجذعية إلى مجموعات وظيفية تتصرف مثل الجزر البنكرياسية الطبيعية ليس سوى نصف المعركة. فلكي تكون هذه الخلايا مفيدة لعلاج العديد من المرضى، يجب زراعتها بكميات كبيرة، وهي عملية غالبًا ما تسبب تكتلها معًا في كتل ضخمة غير صحية أو تعرضها للتلف بسبب الحركة المطلوبة لإبقائها على قيد الحياة في المختبر. علاوة على ذلك، بمجرد نموها، تحتاج هذه الخلايا إلى الحماية من الجهاز المناعي للمريض لمنع الرفض، وهو عائق يتطلب عادةً من المرضى تناول أدوية قوية مدى الحياة.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة مكغيل طريقة جديدة لحل هذه المشكلات في آن واحد. فقد ابتكروا طريقة لزراعة جزر مشتقة من الخلايا الجذعية داخل كرات واقية صغيرة مصنوعة من مادة طبيعية تسمى "ألجينات"، وهي مستخرجة من الأعشاب البحرية. ومن خلال وضع الخلايا النامية داخل هذه الكرات قبل أن تنضج تمامًا، وجد الباحثون أنه يمكنهم زراعتها في خزانات كبيرة ومتحركة دون أن تلتصق الخلايا ببعضها البعض أو تموت بسبب الإجهاد الميكانيكي الناتج عن الحركة. والأهم من ذلك، أن هذه الكرات الواقية سمحت للخلايا بالبقاء والعمل لعدة أشهر بعد زرعها في الفئران، دون الحاجة إلى أن تتناول الحيوانات أدوية مثبطة للمناعة. ويشير هذا العمل إلى مسار نحو عملية تصنيع قابلة للتوسع يمكن أن تؤدي في النهاية إلى إنتاج عدد كافٍ من الخلايا لعلاج الكثير من الناس، مع الحفاظ على سلامة الخلايا من دفاعات الجسم.

بدأت الرحلة بتحدٍ محدد: كيفية زراعة جزر مشتقة من الخلايا الجذعية بأعداد كبيرة. في المختبر، يتم عادةً زراعة هذه الخلايا في معلق سائل، حيث يتم تحريكها باستمرار لضمان حصولها على ما يكفي من الأكسجين والمواد المغذية. وبينما ينجح هذا مع الدفعات الصغيرة، فإن التوسع في الحجم إلى المستويات المطلوبة للعلاج البشري يؤدي إلى اصطدام الخلايا وانصهارها في كتل ضخمة وغير منتظمة. وتصبح هذه الكتل كبيرة جدًا بحيث لا تصل المغذيات إلى مركزها، مما يؤدي إلى موت الخلايا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للقوى الفيزيائية للتحريك أن تضر الخلايا الرقيقة. وافترض الباحثون أنه إذا تمكنوا من تغليف كل مجموعة صغيرة من الخلايا بغلاف واقٍ في وقت مبكر من العملية، فيمكنهم منعها من الاندماج معًا وحمايتها من القوى القاسية للمفاعلات الحيوية واسعة النطاق.

ولاختبار ذلك، قام الفريق أولاً بزراعة خلايا جذعية بشرية في مجموعات بدأت تشبه الجزر البنكرياسية. ثم استخدموا عملية تتضمن الزيت والماء لإنشاء آلاف القطرات الصغيرة، تحتوي كل منها على مجموعة صغيرة من الخلايا المعلقة في محلول ألجينات سائل. ومن خلال إضافة محفز كيميائي محدد، حولوا هذه القطرات السائلة إلى حبات صلبة تشبه الهلام. وجربوا درجات مختلفة من صلابة هلام الألجينات، تتراوح من الليونة الشديدة إلى الصلابة الكبيرة، لمعرفة كيف تؤثر البيئة على الخلايا. ووجدوا أن الخلايا نجت جيدًا في جميع الظروف، لكن صلابة الهلام أثرت على أنواع الخلايا التي تطورت. ففي الهلام الأكثر صلابة، كانت الخلايا أكثر عرضة لتصبح خلايا ألفا، التي تنتج هرمونًا يسمى الجلوكاجون، بينما أنتجت البيئات الأكثر ليونة والمجموعات غير المغلفة المزيد من خلايا بيتا، وهي النوع المحدد المطلوب لصنع الأنسولين. ورغم هذه الاختلافات، ظلت الخلايا في جميع المجموعات قادرة على استشعار مستويات السكر وإطلاق الأنس𝐋ين عند الحاجة.

كان الاختبار الأكثر أهمية عندما نقل الباحثون هذه الخلايا المغلفة إلى مفاعل حيوي بسعة 100 ملليلتر، وهو نسخة صغيرة من الخزانات الكبيرة المستخدمة في التصنيع الصناعي. وقاموا بزراعة الخلايا لمدة 25 يومًا، وهي فترة طويلة بما يكفي لمعرفة ما إذا كانت الحماية ستصمد. كانت النتائج مذهلة؛ فالخلايا غير المغلفة، التي تُركت لتطفو بحرية، نمت لتصبح كتلًا ضخمة وملتحمة وعانت من فقدان كبير في الخلايا، حيث بقي حوالي 60 بالمائة فقط من الخلايا الأصلية. وفي المقابل، ظلت الخلايا المغلفة في مجموعات متميزة ومتساوية، ونجا 91 بالمائة منها خلال فترة الزراعة الطويلة. لقد نجحت الأصداف الواقية في منع الخلايا من الالتصاق ببعضها البعض وحمتها من الإجهاد الفيزيائي الناتج عن حركة التحريك. وقد أثبت هذا أن الطريقة يمكن توسيع نطاقها دون فقدان الخلايا الثمينة اللازمة للعلاج.

ولمعرفة ما إذا كان بإمكان هذه الخلايا العمل فعليًا داخل جسم حي، قام الباحثون بنقل المجموعات المغلفة إلى فئران تم تعديلها وراثيًا لتفتقر إلى جهاز مناعي، لضمان عدم مهاجمة الخلايا. تلقت الفئران الخلايا مباشرة في تجويف البطن، وهو موقع شائع لمثل هذه الدراسات. وأظهرت النتائج أن الخلايا بدأت في العمل تقريبًا على الفور؛ ففي غضون أسبوع، بدأت الفئران في إنتاج "C-peptide" البشري، وهو مؤشر يدل على أن الخلايا المزروعة كانت تصنع الأنسولين بنجاح. وعلى مدار الـ 98 يومًا التالية، استمرت الخلايا في العمل، حيث استجابت للوجبات عبر إطلاق الأنسولين والمساعدة في تنظيم مستويات السكر في الدم. وعندما فحص الباحثون الخلايا بعد ثلاثة أشهر، وجدوا أنها كانت صحية، وحية، ولا تزال تنتج الأنسولين، دون وجود علامات على الأنسجة الندبية أو الهجوم المناعي الذي غالبًا ما يدمر مثل هذه الزرعات.

توفر هذه الدراسة حلقة وصل حاسمة بين إنشاء علاجات الخلايا الجذعية في المختبر وإمكانية استخدامها في الطب الواقعي. فمن خلال إثبات إمكانية زراعة هذه الخلايا بكميات كبيرة، وحمايتها من التلف، وزرعها بنجاح دون رفض مناعي فوري، عالج الباحثون اثنين من أكبر العوائق في هذا المجال. وتتميز الطريقة الموصوفة بالبساطة النسبية ولا تتطلب معدات متخصصة ومعقدة، مما يجعلها خيارًا عمليًا للتصنيع المستقبلي. ورغم أن الخلايا لم تنتج كمية من الأنسولين مثل تلك التي وضعت تحت كبسولة الكلية —وهو موقع قياسي عالي التوعية يُستخدم للمقارنة— إلا أن قدرتها على العمل لمدة ثلاثة أشهر في تجويف البطن تعد خطوة كبيرة للأمام. ويشير هذا العمل إلى أنه مع المزيد من التطوير، يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى طريقة موثوقة وقابلة للتوسع لإنتاج ملايين الخلايا اللازمة لعلاج السكري، مما يقدم مستقبلًا محتملاً لا يحتاج فيه المرضى إلى الاعتماد على الحقن اليومية.