Synergistic effects of thermoplastic polyurethane, chitosan, and polypyrrole in scaffold preparation for cardiac tissue engineering

عندما يعاني القلب من نوبة حادة، يؤدي انسداد في تدفق الدم إلى قطع الإمداد، مما يترك رقعة من الأنسجة العضلية ميتة وغير قادرة على شفاء نفسها. وخلافاً للعظم المكسور الذي يلتئم مجدداً، فإن عضلة القلب لديها قدرة محدودة جداً على التجدد. فبمجرد موت الخلايا، تذهب ولا تعود، ويحل محلها نسيج ندبي صلب لا يمكنه ضخ الدم. ولإصلاح هذا، يستكشف العلماء طريقة تسمى هندسة الأنسجة، والتي تهدف إلى بناء هياكل اصطناعية مؤقتة يمكنها دعم خلايا القلب الجديدة وتشجيعها على النمو. هذه الهياكل، المعروفة باسم السقالات، يجب أن تفعل أكثر من مجرد تثبيت الخلاي في مكانها؛ إذ يتعين عليها محاكاة البيئة الطبيعية للقلب، وهي بيئة لينة ومرنة وترسل باستمرار إشارات كهربائية للحفاظ على نبض القلب بانتظام. ويكمن التحدي في ابتكار مادة قوية بما يكفي لتحمل الإجهاد البدني لقلب ينبض، وآمنة بما يكفي ليتقبلها الجسم، وموصلة بما يكفي لنقل تلك النبضات الكهربائية الحيوية.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون إلى إنشاء مثل هذه السقالة عن طريق خلط ثلاث مواد متميزة في ورقة وظيفية واحدة. فقد جمعوا بين بلاستيك اصطناعي معروف بمرونته، وبوليمر طبيعي مستخلص من السكريات يوجد في القشريات، ونوع خاص من البلاستيك يمكنه توصيل الكهرباء. يوفر البلاستيك الاصطناعي، وهو بولي يوريثين حراري، المرونة والمتانة اللازمتين. أما البوليمر الطبيعي، وهو الشيتوزان، فيوفر سطحاً تتعرف عليه الخلايا الحية وتحب الالتصاق به. ولحل مشكلة التوصيل الكهربائي، أضاف الفريق "البوليبيرول"، وهي مادة تسمح بمرور الكهرباء من خلالها، تماماً مثل السلك، ولكن في شكل يمكن خلطه مع مواد لينة أخرى. كما أدرجوا مادتين مضافتين شائعتين، وهما ألجينات الصوديوم وغلوكونات الكالسيوم، للمساعدة في جعل الخليط يحافظ على شكله ويتفاعل بشكل أفضل مع الجسم. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا المزيج المحدد يمكن أن يخلق بنية مستقرة ومسامية تدعم نمو خلايا القلب وتوصل الكهرباء في آن واحد.

بدأ الباحثون بإذابة هذه المكونات في مذيبات مختلفة وخلطها بنسب متفاوتة لإيجاد التوازن المثالي. واكتشفوا أن مجرد خلط البلاستيك والبوليمر الطبيعي دون المكونات الأخرى ينتج ورقة كثيفة للغاية وتفتقر إلى الثقوب الصغيرة، أو المسام، التي تحتاجها الخلايا للتنفس والتحرك من خلالها. ومع ذلك، عندما أدخلوا المواد المضافة والمادة الموصلة، تغير الخليط. ساعدت المواد المضافة في خلق بنية تشبه الإسفنج ذات مسام مترابطة، وهو أمر ضروري لتغلغل الخلايا داخل المادة. ومع زيادة كمية البوليبيرول الموصل، أصبحت المسام أصغر وأصبح سطح المادة أكثر خشونة. وهذه الخشونة مفيدة في الواقع، لأنها تمنح الخلايا مساحة سطح أكبر للتمسك بها، تماماً كما توفر الأسطح المحززة تماسكاً أفضل من الأسطح الناعمة.

ومن الأهمية بمكان أن إضافة المادة الموصلة قد حولت الخصائص الكهربائية للسقالة. فالخليط الأساسي من البلاستيك والبوليمر الطبيعي لم يكن يوصل الكهرباء على الإطلاق. ولكن بمجرد إضافة البوليبيرول، أصبحت الورقة قادرة على حمل تيار كهربائي. وكلما زادت كمية البوليبيرول المضافة، زادت قدرة الورقة على توصيل الكهرباء. وهذا اكتشاف حيوي لأن خلايا القلب تعتمد على الإشارات الكهربائية لتنسيق نبضاتها؛ فالسقالة التي لا توصل الكهرباء ستفشل في دعم الإيقاع الطبيعي للقلب. كما اختبر الفريق كيفية تفاعل المادة مع الماء. وبينما كانت المادة الأساسية تطرد الماء، جعلت إضافة المادة الموصلة السطح أكثر ألفة للماء، وهو ما يساعد الخلايا عموماً على الالتصاق والانتشار بسهولة أكبر.

ولرؤية ما إذا كانت هذه المواد الجديدة آمنة وفعالة، اختبرها الباحثون على خلايا قلب حية وخلايا أوعية دموية في بيئة مختبرية. ووجدوا أن الخلايا لم تنجُ على السقالات فحسب، بل نمت جيداً والتصقت بقوة بالسطح. حافظت خلايا القلب على شكلها المميز وحتى بدأت تظهر علامات على تطوير الهياكل الداخلية اللازمة للانقباض. كما بحثت الدراسة في كيفية تحلل السقالات بمرور الوقت. لقد صُممت المواد لتكون قابلة للتحلل الحيوي، مما يعني أنها ستذوب ببطء مع تشكل أنسجة جديدة. وأظهرت النتائج أن السقالات التي تحتوي على المادة الموصلة تتحلل بشكل أسرع قليلاً من الخليط الأساسي، ويرجع ذلك على الأرجح إلى امتصاصها المزيد من الماء. وهذا يشير إلى أنها قد تختفي بمعدل يتناسب مع نمو أنسجة القلب الجديدة.

وإلى جانب دعم خلايا القلب فحسب، بحث الباحثون فيما إذا كانت السقالات يمكن أن تشجع نمو أوعية دموية جديدة، وهي عملية تُعرف باسم تكوين الأوعية الدموية. فبدون إمداد جديد من الأوعية الدموية، لا يمكن لأنسجة القلب الجديدة أن تبقى على قيد الحياة. وباستخدام نموذج بيولوجي يتضمن أجنة الدجاج، لاحظوا أن السقالات التي تحتوي على المادة الموصلة ومادة الكالسيوم المضافة عززت نمو أوعية دموية جديدة بشكل أكثر فعالية من الخليط الأساسي. وهذا يشير إلى أن هذا المزيج المحدد من المكونات لا يدعم خلايا عضلة القلب مباشرة فحسب، بل يساعد أيضاً في بناء الشبكة الوعائية اللازمة لتغذيتها. كما لاحظت الدراسة أن السقالات أظهرت بعض القدرة على تثبيط نمو أنواع معينة من البكتيريا، مما قد يكون أثراً جانبياً مفيداً في منع العدوى بعد الزرع.

خلص الباحثون إلى أن النسخة الأكثر واعدة من السقالة هي تلك التي تحتوي على كمية متوسطة محددة من المادة الموصلة. وفرت هذه النسخة أفضل توازن: كانت قوية بما يكفي للحفاظ على شكلها، ومرنة بما يكفي لتتحرك مع القلب، وموصلة بما يكفي لحمل الإشارات الكهربائية، ومسامية بما يكفي لتسمح للخلايا بالنمو بداخلها. ورغم أن الدراسة لم تختبر المادة داخل قلب بشري أو حيواني حي، إلا أن النتائج المختبرية تشير إلى أن هذا المزيج من المواد يخلق بيئة مواتية لترميم القلب. ومن خلال ضبط مزيج البلاستيك الاصطناعي والبوليمر الطبيعي والمادة الموصلة بعناية، نجح الفريق في إنشاء منصة تعالج المتطلبات المعقدة المتعددة لهندسة أنسجة القلب، مما يقدم مساراً محتملاً لإصلاح عضلة القلب المتضررة التي لا تملك حالياً وسيلة طبيعية للشفاء من تلقاء نفسها.