Cell-specific heteroclinic orbits govern interaction dynamics in inertial microfluidics for circulating tumour cell separation
تُظهر هذه الدراسة أن دمج المدارات الهيتيروكلينيكية (heteroclinic orbits) الخاصة بالخلايا والتباين الميكانيكي، بدلاً من الاعتماد فقط على الفصل القائم على الحجم، يُعد أمراً حاسماً لتحسين أجهزة الموائع الدقيقة العطالية لتقليل انتقال خلايا الدم البيضاء أثناء عزل الخلايا الورمية المنتشرة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تحصد السرطان في كل عام ملايين الأرواح، وغالباً ما يكون ذلك بسبب اكتشافه فقط بعد ظهور الأعراض وتطور المرض. ولإمساك هذه الأمراض في مراحل مبكرة، يبحث الأطباء عن الخلايا الورمية المنتشرة: وهي عبارة عن قطع صغيرة من الورم تنفصل وتنتقل عبر مجرى الدم. إن العثور على هذه الخلايا النادرة في عينة من الدم قد يوفر تحذيراً مبكراً حاسماً، لكن المهمة صعبة للغاية؛ فالدماء عبارة عن نهر مزدحم من خلايا الدم البيضاء، والخلايا الورمية نادرة، حيث تظهر غالباً بتركيزات تتراوح بين خمس إلى مائة خلية فقط في كل مليلتر. ولفصلها، يستخدم العلماء أجهزة الموائع الدقيقة (microfluidic devices)، وهي قنوات صغيرة توجه الخلايا باستخدام فيزياء تدفق السوائل. تعتمد هذه الأجهزة على مبدأ بسيط: الخلايا الأكبر حجماً تميل للتحرك بشكل مختلف عن الخلايا الأصغر، مما يسمح بفرزها في مسارات مختلفة. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ليست مثالية؛ فحتى مع التصميم الدقيق، غالباً ما تتسلل خلايا الدم البيضاء غير المرغوب فيها إلى المسار المخصص للخلايا الورمية، مما يؤدي لتلوث العينة ويجعل التحليل أكثر صعوبة.
لطالما افترض الباحثون أن المفتاح لتحسين عملية الفصل يكمن في فرق الحجم بين الخلايا. واعتقدوا أنهم إذا استطاعوا ببساطة جعل الخلايا الورمية تتحرك بسرعة أكبر نحو المسار المستهدف مقارنة بخلايا الدم البيضاء، فستتم المهمة. لكن دراسة جديدة تشير إلى أن هذه الرؤية غير مكتملة. فمن خلال محاكاة حركة الخلايا في قناة دقيقة مستقيمة، اكتشف العلماء أن "مرونة" أو "ليونة" الخلايا تلعب دوراً هائلاً في كيفية تفاعلها. فعندما تكون الخلية الورمية وخلية الدم البيضاء قريبتين من بعضهما البعض، فإنهما لا تمران بجانب بعضهما بشكل مستقل فحسب، بل تؤثر كل منهما في الأخرى. ووجدت الدراسة أن الطريقة التي تتشوه بها هذه الخلايا أثناء تدفقها تغير المسارات التي تسلكها، ويمكن لهذا التفاعل أن يسحب خلايا الدم البيضاء غير المرغوب فيها إلى المسار الخاطئ، مما يفسد عملية الفصل.
استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية لمراقبة سلوك هذه الخلايا في قناة يبلغ ارتفاعها خمسين ميكرومتراً وعرضها مائة وخمسين ميكرومتراً فقط. وقد قاموا بنمذجة الخلايا ككرات مرنة تشبه البالونات المملوءة بالسوائل، تماماً كما تتصرف الخلايا الحقيقية. وفي عمليات المحاكاة، وضعوا خلية ورمية واحدة وثماني خلايا من الدم الأبيض في القناة وراقبوا انتقالها مع اتجاه التيار. واختبروا مستويات مختلفة من الصلابة، أو القابلية للتشكل، للخلايا الورمية، تراوحت من لينة جداً إلى صلبة نوعاً ما، مع إبقاء خلايا الدم البيضاء صلبة نسبياً. وكان الهدف هو معرف من إذا كانت مرونة الخلية الورمية ستغير طريقة حركة خلايا الدم البيضاء.
أظهرت النتة أن وجود خلية ورمية يغير مسار خلايا الدم البيضاء بشكل كبير. فعندما كانت الخلية الورمية لينة جداً، ظلت خلايا الدم البيضاء في مساراتها الخاصة إلى حد كبير. ولكن عندما كانت الخلية الورمية أكثر صلابة، كانت خلايا الدم البيضاء أكثر عرضة للانحراف عن مسارها. لاحظ الباحثون نوعين متميزين من التفاعلات: في "التفاعل القصير"، تمر الخلايا بجانب بعضها بسرعة، مما يسبب هزة قصيرة قد تدفع خلية الدم البيضاء قلياً نحو المسار المستهدف أو تعيدها نحو الجدار. كانت هذه اللقاءات السريعة متكررة ولكنها لم تسبب تحولاً كبيراً في التدفق العام.
ومع ذلك، ظهر سيناريو مختلف عندما كان للخلية الورمية وخلية الدم البيضاء صلابة متشابهة. في هذه الحالات، تقترب الخليتان من بعضهما وتظلان قريبتين لفترة طويلة، وتتحركان معاً بنفس السرعة تقريباً. وقد أطلق الباحثون على هذه اللقاءات المطولة اسم "التفاعل الطويل". وخلال هذه اللقاءات الممتدة، تنحرف خلية الدم البيضاء عن مسارها المعتاد وتسافر جنباً إلى جنب مع الخلية الورمية، وغالباً ما ينتهي بها الأمر في المسار المستهدف حيث لا ينبغي لها أن تكون. حدث هذا لأن الخليتين تتبعان مسارات متشابهة جداً عبر القناة، مما يسمح لهما بالبقاء في أثر بعضهما البعض لمسافة طويلة.
وكشفت الدراسة أن المسافة بين المسارات الطبيعية لنوعي الخلايا هي العامل الحاسم. فعندما كانت الخلية الورمية لينة جداً، كان مسارها الطبيعي بعيداً عن مسار خلايا الدم البيضاء الأكثر صلابة، لذا نادراً ما بقيت قريبة بما يكفي للتفاعل لفترة طويلة. ولكن عندما كانت الخلية الورمية أكثر صلابة، اقترب مسارها من مسار خلايا الدم البيضاء. وهذا القرب جعل من المرجح جداً أن تدخل الخليتان في "تفاعل طويل"، مما يسحب خلية الدم البيضاء إلى المسار المستهدف. ووجد الباحثون أنه كلما زادت صلابة الخلية الورمية، زاد احتمال سحبها لخلية الدم البيضاء معها.
يتحدى هذا الاكتشاف الفكرة القائلة بأن الحجم هو الشيء الوحيد الذي يهم في هذه الأجهزة. ويقترح الباحثون أنه لبناء أجهزة أفضل، يحتاج المهندسون إلى التفكير فيما هو أكثر من مجرد حجم الخلايا؛ إذ يتعين عليهم مراعاة كيف تؤثر صلابة الخلايا على مساراتها وكيف تجمع تلك المسارات بين الخلايا. وفي العالم الحقيقي، ليست جميع الخلايا السرطانية متشابهة؛ فبعضها لين جداً، بينما يمكن لبعضها الآخر، خاصة تلك الناتجة عن السرطانات في مراحلها المبكرة، أن تكون صلبة نوعاً ما. وإذا صُمم جهاز يعتمد فقط على الفصل بناءً على الحجم، فقد يفشل في التقاط الخلايا الورمية الصلبة في المراحل المبكرة لأنها ستتفاعل كثيراً مع خلايا الدم البيضاء وتضيع في المزيج.
خلص الفريق إلى أنه لبناء أجهزة أفضل، يجب على المهندسين التفكير في أكثر من مجرد حجم الخلايا؛ إذ يتعين عليهم مراعاة كيف تؤثر صلابة الخلايا على مساراتها وكيف تجلب تلك المسارات الخلايا معاً. ومن خلال فهم هذه التفاعلات، قد يتمكن المصممون من تعديل التدفق أو شكل القناة لإبقاء مسارات الخلايا الورمية وخلايا الدم البيضاء بعيدة بما يكفي بحيث لا تلتصق ببعضها البعض. وهذا قد يؤدي إلى الحصول على عينات أنقى وفرصة أفضل للكشف عن السرطان في مراحله الأولى الأكثر قابلية للعلاج. لا يقدم العمل حلاً نهائياً، ولكنه يوفر خريطة واضحة لمشكلة خفية تم التغاضي عنها، موضحاً أن الطريقة التي تتحرك بها الخلايا معاً لا تقل أهمية عن الطريقة التي تتحرك بها بمفردها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.