Growing Macroscopic Functional Human Tissues on 3D Printed Peptide Hydrogels
تُظهر هذه الدراسة أن الهيدروجيلات الببتيدية المطبوعة ثلاثية الأبعاد تعمل كأطر هيكلية عيانية لتوجيه نمو والتنظيم الوظيفي للأنسجة القلبية والعصبية البشرية ذات النطاق السنتيمتري، بما في ذلك الدوائر الحصينية ذات الانحياز الاتجاهي، مع الحفاظ على قدرتها الذاتية على التنظيم الذاتي.
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
ليست الأعضاء البشرية مجرد أكياس من الخلايا؛ بل هي مدن معقدة ثلاثية الأبعاد، حيث يجب أن تتصل وتتواصل أحياء متخصصة للحفاظ على حياة النظام بأكمله. وفي المختبر، تمكن العلماء منذ فترة طويلة من زراعة تجمعات من الخلايا البشرية التي تحاكي هذه الأعضاء، وتُعرف باسم "العضويات" (organoids). هذه الهياكل الصغيرة مذهلة لأنها تستطيع تنظيم نفسها، مكونةً طبقات وأنماطاً تشبه إلى حد كبير الجنين النامي. ومع ذلك، هناك حد كبير لكيفية نمو هذه الكتل ذاتية التنظيم. فبينما تتوسع، غالباً ما تنفد الأكسجين والمواد المغذية عن الخلايا في المركز، مما يؤدي إلى موتها وانهيارها. وقد جعل هذا القيد في الحجم من الصعب دراسة كيفية تواصل الأجزاء المختلفة من العضو مع بعضها البعض عبر مسافات طويلة، أو بناء نماذج أنسجة كبيرة بما يكفي لتشبه جسم الإنسان حقاً.
ولحل هذه المشكلة، لجأ الباحثون إلى استراتيجية جديدة تجمع بين قوة التنظيم الذاتي ودقة الطباعة ثلاثية الأبعاد. فبدلاً من محاولة إجبار الخلايا على اتخاذ شكل صلب، يقومون ببناء هيكل عظمي مؤقت وداعم يمكن للخلايا أن تنمو حوله ومن خلاله. يسمح هذا النهج للعلماء بتوجيه البنية العامة للنسيج دون كبح قدرة الخلايا الطبيعية على تنظيم نفسها. ومن خلال إنشاء إطار عمل يتسم بالقوة الكافية للحفاظ على الشكل وفي الوقت نفسه بالليونة التي تسمح للخلايا بالازدهار، يستطيع العلماء الآن زراعة أنسجة بشرية ليست وظيفية فحسب، بل كبيرة بما يكفي لسد الفجوة بين الطبق المجهري والعضو العياني.
لقد نجح فريق من الباحثين في إثبات ذلك من خلال زراعة أنسجة قلب ودماغ بشرية وظيفية على سقالة مصممة خصيصاً. استخدموا نوعاً خاصاً من الهلام (الجل) المكون من سلاسل بروتينية صغيرة تسمى "الببتيدات". تلتف هذه السلاسل وتتشابك طبيعياً لتشكل شبكة تبدو مثل الهلام الناعم ولكنها قوية بما يكفي للحفاظ على شكلها. طور الباحثون طريقة لطباعة هذا الهلام في هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد باستخدام تقنية تشبه الطباعة ثلاثية الأبعاد، ولكن مع لمسة مختلفة: يتم دفع الهلام في حمام داعم يحافظ على مكانه أثناء تصلبه. سمح هذا بإنشاء سقالات ذات أشكال دقيقة، بما في ذلك الجسور المنحنية والشبكات الطبقية، بدقة كافية لتوجيه الخلايا الفردية.
تضمن الاختبار الأول لهذا النظام خلايا عضلة القلب البشرية. في الطبيعة، يجب أن تصطف خلايا القلب في اتجاه محدد لتنبض في انسجام، مما يضخ الدم بفعالية. وعندما وضع الباحثون هذه الخلايا على السقالات الببتيدية المطبوعة، استشعرت الخلايا على الفور اتجاه ألياف الهلام واصطفت وفقاً لذلك. وفي غض خلال أيام، بدأت الخلايا تنبض معاً في إيقاع متزامن، وهو إنجاز نادراً ما يحدث عند زراعة الخلايا على أسطح بلاستيكية مسطحة. واستطاع الباحثون حتى تسجيل الإشارات الكهربائية التي تنتقل عبر النسيج، مما أكد أن الإطار المطبوع قد نجح في توجيه الخلايا إلى عضلة قلب وظيفية تنبض وتتمدد وتنقبض كوحدة واحدة.
ثم طبق الفريق هذه الطريقة نفسها على الدماغ، وهي مهمة أكثر تعقيداً لأن خلايا الدماغ تحتاج إلى تكوين شبكات واسعة عبر مسافات طويلة. قاموا أولاً بزراعة بساط واسع ومسطح من الأنسجة العصبية على السقالات المطبوعة. وبخلاف العضويات التقليدية التي تنمو على شكل كرات مستديرة وتموت في المنت actually بسبب نقص الأكسجين، نمت هذه الأنسجة المدعومة بالسقالات على شكل صفائح عريضة ورقيقة. سمح هذا الشكل بوصول العناصر الغذائية إلى كل خلية، مما مكن النسيج من النمو إلى حجم يقارب دماغ حيوان من الرئيسيات الصغيرة، مثل قرد المرموسيت، دون أن تموت الخلايا المركزية. احتوى النسيج الناتج على مزيج صحي من الخلايا العصبية والخلايا الداعمة، وحافظ على بنيته وصحته لعدة أشهر.
جاء الإنجاز الأهم عندما استخدم الباحثون هذه الهلامات المطبوعة لربط جزأين متميزين من الدماغ: التلفيف المسنن (dentate gyrus) ومنطقة CA3، وهما مكونان حاسمان في الحصين (hippocampus)، المنطقة المسؤولة عن الذاكرة. أنشأوا سقالة مخصصة تحتوي على جيبين لحمل كرات صغيرة من أنسجة الدماغ، متصلة بجسر ضيق من الهلام. وعلى مدار عدة أسابيع، نمت النتوءات الطويلة والنحيفة من الخلايا العصبية، والتي تسمى المحاور (axons)، من كرة واحدة عبر الجسر لتصل إلى الكرة الأخرى. لم تكن هذه الاتصالات عشوائية، بل شكلت شبكة كثيفة سمحت للمنطقتين بالتواصل.
عندما اختبر الباحثون هذه الاتصالات، وجدوا أن الإشارات تنتقل في الاتجاه الصحيح، محاكية التدفق الطبيعي للمعلومات في الدماغ البشري. فقد نجحت الإشارات المرسلة من التلفيف المسنن في تحفيز استجابات في منطقة CA3، بينما لم تؤدِ الإشارات المرسلة في الاتجاه العكسي إلى نفس التأثير. هذا التواصل الاتجاهي هو سمة مميزة لدائرة دماغية سليمة ووظيفية. أثبتت التجربة أن السقالة المطبوعة لم تكتفِ فقط بتثبيت الأنسجة في مكانها، بل وجهت بنشاط نمو الاتصالات طويلة المدى ودعمت التواصل المعقد أحادي الاتجاه المطلوب لمعالجة الذاكرة.
يشير هذا العمل إلى أن مستقبل زراعة الأنسجة البشرية في المختبر لا يتطلب فرض أشكال غير طبيعية على الخلايا. بدلاً من ذلك، من خلال توفير إطار عمل عياني مصمم بعناية، يمكن للعلماء السماح للأنسجة بالنمو إلى كامل إمكاناتها، مع الحفاظ على قدرتها الطبيعية على التنظيم الذاتي وتجاوز الحدود الفيزيائية التي أبقتها صغيرة في السابق. إن القدرة على زراعة أنسجة بشرية وظيفية بمقياس السنتيمتر ذات بنيات محددة تفتح الباب لدراسة أمراض الدماغ المعقدة واختبار علاجات جديدة بطريقة كانت مستحيلة سابقاً، مما يقرب دراسة البيولوجيا البشرية خطوة أخرى من واقع الجسم الحي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.