Silica-challenged macrophage secretome drives distinct alveolar and bronchial epithelial-fibroblast crosstalk: a multicellular preclinical modelling approach

يُعد السحار السيليسي (السيليكوز) مرضاً رئوياً شرساً ينتج عن استنشاق جزيئات دقيقة وحادة من السيليكا البلورية، وهي نفس المادة الموجودة في الرمل والحجر والخرسانة. وعندما تستقر هذه الجزيئات في عمق الرئتين، يرسل جهاز المناعة في الجسم خلايا متخصصة تسمى الخلايا البلعمية (macrophages) لتنظيفها. ومع ذلك، فإن السيليكا حادة جداً بحيث لا يمكن هضمها، مما يؤدي إلى موت الخلايا المناعية في هذه العملية، وهو ما يطلق "كوكتيلاً" ساماً من المواد الكيميائية التي تحفز الالتهاب المزمن. وتتسبب هذه الإشارة المستمرة في تآكل بطانة الرئة وتحول الأنسجة إلى أنسجة ندبية صلبة، وهي عملية تُعرف بالتليف. ولعقود من الزمن، حاول العلماء فهم كيفية عمل هذا التفاعل المتسلسل بدقة وكيفية إيقافه، لكنهم واجهوا خياراً صعباً في كيفية دراسته؛ فالتجارب المختبرية التقليدية باستخدام خلايا منبسطة على أطباق بلاستيكية غالباً ما تفشل في محاكاة البنية المعقدة ثلاثية الأبعاد لأنسجة الرئة الحقيقية، بينما التجارب على الحيوانات غالباً ما تعطي نتائج لا تترجم جيداً إلى البشر بسبب الاختلافات في التشريح وأنماط التنفس.

ولجسر هذه الفجوة، طور فريق من الباحثين في معهد أبحاث مرض السحار والغبار في أستراليا طريقة جديدة لنمذجة المرض باستخدام خلايا بشرية مرتبة بطريقة تحاكي البنية الطبيعية للرئة. فبدلاً من النظر إلى الخلايا بشكل منعزل، قاموا ببناء كرات صغيرة ثلاثية الأبعاد من الخلايا، كما أنشأوا أنظمة طبقية حيث توضع أنواع مختلفة من الخلايا فوق بعضها البعض، مما يسمح لها بالتواصل عبر الإشارات الكيميائية دون تلامس جسدي. كان هدفهم هو معرفة كيف تؤثر الإشارات السامة الناتجة عن الخلايا المناعية التي تعرضت للسيليكا على بطانة الرئة وعلى الخلايا التي تبني هيكلها الداعم، وما إذا كان الترتيب الفيزيائي لهذه الخلايا يغير النتيجة. ومن خلال مقارنة هذه النماذج المعقدة بالنماذج البسيطة والمسطحة، أمَل الباحثون في الكشف عن تفاصيل حول المرض كانت غير مرئية سابقاً.

بدأ الباحثون بتدريب نوع معين من الخلايا المناعية البشرية ليعمل مثل الخلايا البلعمية الموجودة في الرئتين. وعرضوا هذه الخلايا لجزيئات سيليكا من حجمين مختلفين، وقاسوا مدى تأثير هذه الجزيئات على صحة الخلايا والكيماويات التي تفرزها. ووجدوا أن جزيئات السيليكا الأصغر حجماً كانت أكثر ضرراً، حيث تسببت في إطلاق الخلايا المناعية لكمية كبيرة من الإشارات الالتهابية. ثم جمع الفريق السائل المحيط بهذه الخلايا المناعية المجهدة، والذي كان يحتوي على الكوكتيل السام من المواد الكيميائية، واستخدموه لمعالجة خلايا رئوية بشرية أخرى. واختبروا هذا الخليط على نوعين من خلايا الرئة: الخلايا السنخية (alveolar cells)، التي تبطن الحويصلات الهوائية الصغيرة حيث يحدث تبادل الأكسجين، والخلايا الشعبية (bronchial cells)، التي تبطن المجاري الهوائية الأكبر. وراقبوا هذه الخلايا في ثلاثة إعدادات مختلفة: مسطحة في طبق، ومجمعة في كرات ثلاثية الأبعاد، ومرتبة في نظام طبقي حيث تقع خلايا الرئة فوق الخلايا المناعية على شبكة.

عندما طبق الباحثون الإشارات المناعية السامة على المزارع ثنائية الأبعاد المسطحة، لاحظوا فرقاً واضحاً بين نوعي خلايا الرئة؛ حيث أصبحت الخلايا السنخية أقل صحة وأظهرت علامات على زيادة الالتهاب بمرور الوقت. وفي المقابل، ظلت الخلايا الشعبية مستقرة إلى حد كبير، مع عودة مستويات الالتهاب فيها إلى طبيعتها بعد بضعة أيام. ومع ذلك، عندما انتقل الباحثون إلى نماذج الكرات ثلاثية الأبعاد، أصبحت الصورة أكثر تعقيداً وكشفاً؛ إذ أظهرت الخلايا السنخية في الكرات انخفاضاً كبيراً في الصحة واستجابة التهابية قوية ومستمرة. والأهم من ذلك، بدأت هذه الخلايا في تغيير هويتها، حيث أظهرت علامات على عملية تسمى "الانتقال الظهاري الميزنكيمي" (epithelial-mesenchymal transition)، حيث تبدأ في التصرف مثل الخلايا التي تبني الأنسجة الندبية. كما أظهرت الخلايا الشعبية في الكرات بعض هذه التغييرات، لكنها كانت أقل حدة وظهرت بشكل أساسي على المستوى الجيني بدلاً من البنية الفيزيائية للخلايا.

ظهرت النتائج الأكثر إثارة عندما أضاف الباحثون الخلايا الليفية (fibroblasts)، وهي الخلايا المسؤولة عن بناء الإطار الهيكلي للرئة، إلى المزيج. ففي الكرات ثلاثية الأبعاد التي تحتوي على كل من خلايا الرئة والخلايا الليفية، أدت الخلايا السنخية إلى رد فعل قوي. حيث تسبب وجود الإشارات المناعية السامة في جعل الخلايا الليفية نشطة للغاية، منتجة كميات كبيرة من البروتينات التي تبني الأنسجة الندبية. ويشير هذا إلى أن الخلايا السنخية تعمل كمضخم قوي، حيث تحول رد الفعل المناعي المحلي إلى استجابة تليفية واسعة النطاق. أما الخلايا الشعبية، حتى عند اقترانها بالخلايا الليفية، فلم تسبب نفس رد الفعل المكثف؛ حيث ظلت شركاؤها من الخلايا الليفية هادئة نسبياً، ولم تنتج سوى كميات متواضعة من بروتينات بناء الندبات. يسلط هذا الاختلاف الضوء على أن نوع خلية الرئة المشاركة في الإصابة هو الذي يحدد مدى شدة التندب الناتج.

ولفهم كيفية تواصل هذه الخلايا مع بعضها البعض دون تلامس، استخدم الفريق نظاماً طبقياً حيث تقع خلايا الرئة على غشاء مسامي فوق الخلايا الليفية. سمح هذا الإعداد للمواد الكيميائية بالمرور بين الطبقات مع إبقاء الخلايا منفصلة فيزيائياً. وبالرغم من أن الخلايا الليفية لم تتعرض مباشرة للإشارات المناعية السامة، إلا أنها تفاعلت بقوة عندما تمت معالجة خلايا الرئة الموجودة فوقها. فقد استشعرت خلايا الرئة الخطر، وأطلقت إشاراتها الخاصة التي انتقلت إلى الأسفل نحو الخلايا الليفية، لتأمرها بالبدء في بناء الأنسجة الندبية. وقد أكد هذا أن خلايا الرئة تعمل كوسيط، حيث تترجم الهجوم المناعي الأولي إلى رسالة توجه الخلايا الهيكلية لإعادة تشكيل الأنسجة. وكانت الخلايا السنخية ترسل رسالة "أعلى صوتاً" بكثير من الخلايا الشعبية، مما أدى إلى تنشيط أكثر عدوانية للخلايا الليفية.

تخلص الدراسة إلى أن الترتيب الفيزيائي للخلايا يمثل أهمية قصوى عند دراسة أمراض الرئة مثل السحار السيليسي. فالموديلات البسيطة والمسطحة المستخدمة في العديد من الدراسات السابقة فشلت في التقاط الكثافة الكاملة للضرر والطرق المحددة التي تتفاعل بها خلايا الرئة المختلفة. ومن خلال استخدام النماذج ثلاثية الأبعاد التي تحاكي البنية الحقيقية للرئة بشكل أفضل، تمكن الباحثون من رؤية أن الخلايا السنخية أكثر عرضة للخطر الناجم عن السيليكا وأكثر قدرة على دفع عملية التليف من الخلايا الشعبية. تشير هذه النتائج إلى أن موقع الإص injury داخل الرئة يحدد شدة المرض، حيث يعد الضرر الذي يلحق بالحويصلات الهوائية هو المحرك الرئيسي للتندب. ويقترح الباحثون أن هذه النماذج المعقدة متعددة الخلايا توفر منصة أكثر دقة لاختبار العلاجات الجديدة، مما يوفر رؤية أوضح لكيفية تطور المرض وكيفية إيقافه.