Hydrogel dimensionality directs mechanics-dependent nascent matrix deposition by tendon fibroblasts

الأوتار هي تلك الأنسجة القوية الشبيهة بالحبال التي تربط العضلات بالعظام، مما يسمح لنا بالحركة بقوة ودقة. داخل هذه الأنسجة، تعمل خلايا متخصصة تسمى "الخلايا الليفية الوترية" (tendon fibroblasts) كطاقم بناء، حيث تقوم باستمرار ببناء وإصلاح المصفوفة خارج الخلوية. هذه المصفوفة عبارة عن سقالة معقدة من البروتينات، وفي مقدمتها الكولاجين، والتي تمنح الوتر بنيته وقدرته على تحمل القوى. ولكي تتمكن هذه الخلايا من أداء وظيفتها بشكل صحيح، يجب أن تكون قادرة على استشعار البيئة الفيزيائية المحيطة بها؛ فهي تشعر بصلابة المواد المغروسة فيها وتعدل سلوكها وفقاً لذلك. وإذا كانت البيئة لينة للغاية أو صلبة للغاية، أو إذا كانت الخلايا محاصرة بطريقة تمنعها من الحركة، فقد يختل عمل البناء، مما يؤدي إلى الإصابة أو سوء الالتئام. إن فهم كيفية تفسير هذه الخلايا لبيئتها الفيزياسية بدقة أمر بالغ الأهمية لتطوير علاجات أفضل لإصابات الأوتار ولتصميم مواد اصطناعية يمكنها المساعدة في إصلاح الأنسجة التالفة.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن صلابة السطح تؤثر على سلوك الخلايا، لكن القواعد تتغير اعتماداً على ما إذا كانت الخلايا مستقرة على سطح مسطح أو عائمة داخل هلام ثلاثي الأبعاد. في عالم ثنائي الأبعاد مسطح، تميل الخلايا عموماً إلى الانتشار بشكل أكبر وتصبح أكثر نشاطاً عند وضعها على سطح أكثر صلابة. ومع ذلك، عندما تُحبس الخلايا داخل هلام ثلاثي الأبعاد، غالباً ما تنقلب القواعد: إذ يمكن للهلام الأكثر صلابة أن يضغط على الخلية، مما يجعل من الصعب عليها الانتشار والقيام بعملها. وقد سعت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة بنسلفانيا وجامعة ميشيغان لمعرفة كيف تنطبق هذه القواعد المختلفة على الخلايا الليفية الوترية، وتحديداً كيف تؤثر على المادة الجديدة التي تبنيها هذه الخلايا. أراد الفريق معرفة ما إذا كان بُعد البيئة — مسطحة مقابل ثلاثية الأبعاد — يغير الطريقة التي تستجيب بها خلايا الوتر للصلابة وتضع مصفوفتها الجديدة.

وللتحقيق في ذلك، استخدم الباحثون نوعاً متخصصاً من الهلام المصنوع من حمض الهيالورونيك، وهي مادة طبيعية موجودة في الجسم، قاموا بتعديلها للسماح لهم بضبط صلابتها بدقة. قاموا بزراعة خلايا ليفية وترية من أوتار ذيول الفئران ووضعوها في إعدادين مختلفين. في الإعداد الأول، تم زرع الخلايا فوق هلام مسطح بمستويات صلابة بلغت 10 و25 كيلوباسكال. وفي الإعداد الثاني، تم حبس الخلايا داخل هلام ثلاثي الأبعاد بمستويات صلابة بلغت 5 و10 و50 كيلوباسكال. ولمعرفة المادة الجديدة التي تصنعها الخلايا بالضبط، استخدم العلماء تقنية وسم ذكية؛ حيث قاموا بتغذية الخلايا بجزيء سكر تدمجه الخلايا في بروتيناتها المبنية حديثاً، ولاحقاً، أضافوا علامة مضيئة تلتصق تحديداً بهذا السكر، مما سمح لهم برؤية المصفوفة الناشئة والجديدة وهي تترسب حول الخلايا.

في المزارع المسطحة ثنائية الأبعاد، اتبعت النتائج النمط المتوقع. فعندما كانت الخلايا على الهلام الأكثر صلابة، انتشرت بشكل أكبر، وأصبحت أكثر تسطحاً وضخامة. وكان هذا الانتشار مصحوباً بتغيير في الإشارات الداخلية للخلية، وتحديداً حركة بروتين يسمى "YAP" إلى نواة الخلية، والذي يعمل كمفتاح للنمو وإنتاج المصفوفة. ونتيجة لذلك، قامت الخلايا الموجودة على الهلام الأكثر صلابة (25 كيلوباسكال) بترسيب مصفوفة جديدة أكبر بك lượng ملحوظة من تلك الموجودة على الهلام الألين (10 كيلوباسكال). لاحظ الباحثون أن المصفوفة الجديدة بدأت كنقاط صغيرة بالقرب من الخلية، ثم نمت في النهاية لتصبح شبكات ليفية مستمرة، وهي عملية حدثت بمرور الوقت بغض النظر عن الصلابة، وإن كان إجمالي الكمية أعلى على السطح الأكثر صلابة.

تغيرت القصة تماماً عندما وُضعت الخلايا داخل الهلام ثلاثي الأبعاد. هنا، انعكست العلاقة بين الصلابة وسلوك الخلايا؛ حيث تمكنت الخلايا في الهلام الأكثر ليونة (5 و10 كيلوباسكال) من الانتشار قليلاً وأظهرت مستويات أعلى من بروتين YAP في نواتها مقارنة بالخلايا في الهلام الثلاثي الأبعاد الأكثر صلابة (50 كيلوباسكال). ظلت الخلايا في الهلام الثلاثي الأبعاد الصلب صغيرة ومستديرة، محاصرة داخل الشبكة الضيقة للمادة. وبناءً على ذلك، كانت كمية المصفوفة الجديدة التي أفرزتها الخلا_ في الهلام الصلب أقل منها في الهلام الألين. ومن المثير للاهتمام أن الخلايا في هلام الـ 10 كيلوباسكال أنتجت أكبر كمية من المصفوفة الجديدة على الإطلاق، حتى أكثر من تلك الموجودة في هلام الـ 5 كيلوباسكال، مما يشير إلى وجود صلابة مثالية لإنتاج المصفوفة في الأبعاد الثلاثة تختلف عن الاتجاه الملاحظ في المزارع المسطحة.

كما بحث الباحثون في التعليمات الجينية داخل الخلايا لفهم ما يخططون لبنائه. ووجدوا أن الخلايا في الهلام ثلاثي الأبعاد الألين قامت بتفعيل جينات مرتبطة بتكوين الأوتار الصحي، مثل جينات الكولاجين من النوع الأول وتيناسين C. في المقابل، أدت الخلايا في الهلام الصلب (50 كيلوباسكال) إلى خفض هذه الجينات الخاصة بالأوتار، وأظهرت بدلاً من ذلك علامات على حالة مختلفة وأقل شبهاً بالأوتار. لقد أنتجت كمية أقل من الكولاجين المحدد الذي يشكل البيئة المحيطة بالخلايا، ومزيداً من نوع آخر من الكولاجين الذي يوجد عادة في الأغشية القاعدية. أكد هذا التحول في البرمجة الجينية أن الحجز الفيزيائي للهلام الصلب قد غير بشكل أساسي هوية الخلية وقدرتها على العمل كبناء للأوتار.

تسلط هذه الدراسة الضوء على أن بُعد البيئة هو عامل حاسم في كيفية استشعار خلايا الأوتار لمحيطها واستجابتها له. فبينما يشجع السطح الأكثر صلابة إنتاج المصفوفة في المزارع المسطحة، فإن الهلام ثلاثي الأبعاد الأكثر صلابة يمكن أن يثبط ذلك بالفعل من خلال تقييد الخلية فيزيائياً وتغيير برنامجها الجيني. تشير هذه النتيجة إلى أن جعل المادة أكثر صلابة ليس دائماً هو الحل لتشجيع إصلاح الأنسجة. بدلاً من ذلك، يجب أن يأخذ تصميم المواد الحيوية لترميم الأوتار في الاعتبار الطبيعة ثلاثية الأبعاد للأنسجة، لضمان أن تكون المادة لينة بما يكفي للسماوة للخلايا بالانتشار وتنشيط جينات بناء الأوتار، وفي الوقت نفسه مهيكلة بما يكفي لدعم تكوين مصفوفة قوية. ومن خلال رسم خرائط لهذه التفاعلات المعقدة، قدم الباحثون دليلاً أوضح لإنشاء بيئات اصطناعية يمكنها دعم آليات الإصلاح الطبيعية في الجسم بفعالية.