A Wheatstone Bridge-Inspired Microfluidic Trap For Precise Tuning of the Content of an Immobilized Droplet

تخيل عالماً تعمل فيه قطرات السائل الصغيرة كمختبرات مصغرة، حيث تحتضن كل منها خلية واحدة أو مجموعة صغيرة من البكتيريا. لطالما استخدم العلماء هذه القطرات لدراسة الحياة في عزلة، من خلال إبقائها منفصلة عن العالم الخاري عبر جعلها تطفو في الزيت. هذا الفصل يمنع التلوث ويسمح للباحثين بمراقبة نمو الخلايا الفردية دون تدخل. ومع ذلك، فإن الحفاظ على حيوية هذه المختبرات الصغيرة أمر صعب؛ فبمجرد إغلاق القطرة، تنفد مغذياتها بسرعة، وتتراكم النفايات، مما يؤدي إلى موت الكائنات التي تسكنها في غضون أيام قليلة. وتتضمن الطرق التقليدية لتجديد السائل تحريك القطرات باستمرار أو دمجها مع قطرات جديدة، لكن هذه العمليات غالباً ما تسبب إجهاداً للخلايا الرقيقة أو تفشل في التحكم في الحجم بدقة. كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لإبقاء القطرة ثابتة تماماً مع تبديل محتوياتها باستمرار، تماماً مثل تغيير الماء في حوض سمك دون تحريك السمكة أبداً.

لقد طور باحثون في معهد الأبحاث التكنولوجية الأساسية في بولندا جهازاً جديداً يحل هذه المشكلة عبر استعارة فكرة من الهندسة الكهربائية. فقد ابتكروا مصيدة مائعية دقيقة تعمل مثل "جسر ويتستون"، وهو دائرة كلاسيكية تُستخدم لقياس المقاومة. في جهازهم، تستقر قطرة كبيرة وثابتة في غرفة مركزية، محاطة بحلقة من القنوات الدقيقة. وبينما يتدفق تيار من قطرات السائل الطازجة حول هذه الغرفة المركزية، صُمم الجهاز بحيث أنه عندما تدخل قطرة جديدة إلى الغرفة، فإنها تندمج مع القطرة الكبيرة. وفي تلك اللحظة تحديداً، يتم دفع كمية مساوية من السائل القديم من الجانب الآخر. يحدث هذا تلقائياً وبشكل متكرر، مما يسمح للباحثين باستبدال كامل محتويات القطرة بمغذيات طازجة أو مواد كيميائية جديدة مع الحفاظ على الحجم الإجمالي ثابتاً تماماً. لا تتحرك القطرة الكبيرة من مكانها أبداً، ولا تتعرض الخلاوة بداخلها لأي إجهاد فيزيائي يُذكر.

يعمل الجهاز باستخدام الفيزياء الطبيعية لكيفية تدفق السوائل عبر المساحات الضيقة. تم تصميم الغرفة المركزية على شكل دائرة، كما رُتبت القنوات المحيطة بنمط محدد لتوجيه التدفق. فعند وصول قطرة طازجة، يتم توجيهها إلى الغرفة حيث تندمج مع القطرة الثابتة. هذا الاندماج يجعل القطرة الكبيرة أكبر من حجم المساحة المخصصة لها مؤقتاً. ولأن القطرة لا يمكنها التمدد، يُجبر السائل الزائد على الخروج من الغرفة، مكوناً قطرة جديدة تحمل معها الوسط القديم. هذه العملية، التي يسميها الباحثون "آلية الاندماج والإزاحة"، تضمن أنه مقابل كل قطرة سائل طازجة تُضاف، يتم إزالة قطرة من السائل القديم. والنتيجة هي تبادل متوازن تماماً يحافظ على حجم ثابت، مما يسمح للخلايا المحتجزة بالعيش في بيئة مستقرة بينما يتم التحكم في محيطها الكيميائي بدقة.

ولاختبار ما إذا كان هذا النظام يمكنه دعم الحياة بالفعل، أجرى الفريق تجارب على نوعين مختلفين تماماً من الكائنات الحية: البكتيريا والخلايا البشرية. أولاً، استخدموا بكتيريا "الإشريكية القولونية" (Escherichia coli)، وهي بكتيريا شائعة تنمو بسرعة. وضعوا البكتيريا داخل القطرة الثابتة وبدأوا بتزويدها بتيار مستمر من قطرات المغذيات الطازجة. وأظهرت النتائج أن البكتيريا نمت بشكل أسرع بكثير في هذا النظام مقارنة بالإعداد الساكن الذي لا يتم فيه إضافة أي طعام طازج. فقد سمح الإمداد المستمر للمغذيات وإزالة النفايات للبكتيريا بالتكاثر بسرعة، مكونة مستعمرات كثيفة داخل القطرة. كما لاحظ الباحثون أن سرعة وصول السائل الطازج غيرت كيفية تنظيم البكتيريا لنفسها، حيث أدت معدلات التدفق الأسرع إلى توزيع أكثر تساوياً عبر قاع الغرفة.

بعد ذلك، واجه الفريق تحدياً أكثر صعوبة: تنمية خلايا بشرية تحتاج إلى الالتصاق بسطح ما لكي تبقى على قيد الحياة. هذه الخلايا، المعروفة باسم خلايا A549 الظهارية، تتطلب عادةً أرضية صلبة للالتصاق بها، وهو أمر يصعب توفيره داخل قطرة عائمة. ولحل هذه المشكلة، قام الباحثون بتعديل جهازهم عبر استبدال قاع الغرفة بشريحة زجاجية مغلفة ببروتين خاص يشجع الخلايا على الالتصاق. ثم وضعوا هذه الخلايا البشرية داخل القطرة وبدأوا عملية تبديل الوسط. في البداية، تسببت نبضات السائل الطازج المتكررة في انفصال الخلاف وطفوها بعيداً، مما أدى إلى تعطيل نموها. ومع ذلك، من خلال ضبط حجم الغرفة وتوقيت تبديل السائل، وجدوا طريقة لإبقاء الخلايا ملتصقة. وفي أفضل الظروف، شكلت الخلايا طبقة صلبة ومسطحة على الزجاج، ونمت وانتشرت تماماً كما تفعل في طبق بتري قياسي، ولكن مع الميزة الإضافية المتمثلة في التحكم الدقيق في بيئتها عبر القطرات المتدفقة.

كما أظهرت الدراسة أن هذا النظام يمكن استخدامه لتوصيل مواد كيميائية محددة إلى الخلايا في أوقات دقيقة. فمن خلال إدخال قطرة تحتوي على صبغة ملونة، استطاع الباحثون مراقبة حركة الصبغة عبر القطرة الثابتة، مما خلق موجة من التركيز تمر فوق الخلايا. وهذا يسمح للعلماء بتعريض الخلايا لتغير مفاجئ في بيئتها، مثل دفعة من عقار أو جزيء إشارة، ومراقبة رد فعلها في الوقت الفعلي. علاوة على على ذلك، أظهروا أن خلط السائل داخل القطرة يمكن تحسينه عن طريق إعادة تدوير القطرات الخارجة إلى تيار المدخل، مما يضمن بقاء محتويات القطرة متجانسة.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في مجال الموائع الدقيقة، حيث يوفر وسيلة لإبقاء الخلايا حية وصحية في بيئة معزولة ومتحكم بها لفترات أطول مما كان ممكناً في السابق. ومن خلال محاكاة توازن الدائرة الكهربائية، أنشأ الباحثون نظاماً ميكانيكياً يقوم بمعالجة السوائل المعقدة دون الحاجة إلى صمامات أو أجزاء متحركة. الجهاز مرن بما يكفي للتكيف مع أنواع مختلفة من الخلايا، من البكتيريا سريعة النمو إلى الأنسجة البشرية الرقيقة، ويفتح الباب أمام تجارب جديدة حيث يمكن ضبط البيئة الكيميائية بدقة عالية. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من التحسين لإجراء درسات طويلة الأمد، خاصة فيما يتعلق بتكرار تبديل السائل لمنع إجهاد الخلايا، إلا أن النظام قد أثبت بالفعل قدرته على دعم الحياة وتسهيل الملاحظة التفصيلية. إنه يوفر أداة جديدة للبحوث الطبية الحيوية، تسمة للعلماء دراسة كيفية سلوك الخلايا عندما تتغير محيطاتها بطريقة محكومة ويمكن التنبؤ بها.