Directing Recruitment and Differentiation of Endogenous Stem Cells via DNA Origami-based Nanorobots to Attenuate Osteoarthritis Progression

يُعد الفصال العظمي حالة مستمرة حيث يتآكل تدريجياً الغطاء الواقي الناعم الموجود عند أطراف عظامنا، مما يترك المفاصل مؤلمة ومتيبسة. وبينما يمتلك الجسم طاقم إصلاح طبيعي يُسمى الخلايا الجذعية، إلا أن هؤلاء العمال غالباً ما يكونون قليلين في العدد أو بعيدين جداً عن الإصابة لدرجة تمنعهم من إحداث فرق. ففي المفصل المتضرر، تكون البيئة معادية، مليئة بالإشارات التي تشتت هذه الخلايا أو تمنعها من الانقسام. ولعقود من الزمن، حاول العلماء إصلاح ذلك عن طريق حقن خلايا جذعية جديدة من خارج الجسم، لكن هؤلاء "الغرباء" غالباً ما يفشلون في إيجاد طريقهم إلى البقعة المحددة التي تحتاج إلى الإصلاح، أو ببساء لا يستطيعون البقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية للمفصل الملتهب.

اقترح فريق من الباحثين في مستشفى بكين جامعة شنتشن والمتعاونين معهم نهجاً مختلفاً: بدلاً من جلب عمال جدد، قاموا ببناء أداة متطورة لتوجيه طاقم الإصلاح الخاص بالجسم إلى موقع الحدث وتعليمهم كيفية أداء عملهم. لقد صنعوا جهازاً مجهرياً مصنوعاً بالكامل من الحمض النووي (DNA)، وهو نفس الجزيء الذي يحمل التعليمات الوراثية في جميع الكائنات الحية. ومن خلال طي هذا الحمض النووي في شكل مثلث محدد، صمموا "روبوتاً نانوياً" قادراً على الالتصاق بالغضروف المتضرر، والعثور على الخلايا الجذعية المحلية، وتقديم مجموعة دقيقة من التعليمات لتحويل تلك الخلايا إلى بناة للغضاريف. يهدف هذا الأسلوب إلى حل المشكلتين التوأمين: إيصال الخلايا الصحيحة إلى المكان الصحيح، وضمان بقائها صحية لفترة كافية لترميم الأنسجة.

بدأ الباحثون بتصميم إطار عمل ثلاثي الأبعاد باستخدام خيوط الحمض النووي، وهو هيكل يسمونه "جهاز النانو المعتمد على طي الحمض النووي" (DNA origami nanodevice). ثم جهزوا هذا المثلث الصغير بعدة أدوات وظيفية. أولاً، قاموا بربط ببتيد محدد، وهو سلسلة قصيرة من الأحماض الأمينية، يعمل مثل المغناطيس للغضروف، مما يضمن التصاق الجهاز بسطح المفصل المتضرر بدلاً من الطفو بعيداً. ثانياً، أضافوا خطافاً جزيئياً يُعرف باسم "الأبتامر" (aptamer)، المصمم للتعرف على الخلايا الجذعية الميزنشيمية والإمساك بها، وهي خلايا الإصلاح الطبيعية في الجسم الموجودة في نخاع العظام وبطانة المفاصل. يسمح هذا النظام المزدل للاستهداف للروبوت النانوي بالالتصاق أولاً بالغضروف ثم استدعاء الخلايا الجذعية القريبة إلى سطحه.

بمجرد أن يرسو الروبوت النانوي على الغضروف ويجمع الخلايا الجذعية، يقوم بتسليم حمولته. يحمل الجهاز مكونين حاسمين: دليل تعليمات وراثي في شكل "بلازميد" يحتوي على جين SOX9، ومركب طبيعي يسمى "ريسفيراترول". يعمل جين SOX9 كمفتاح رئيسي، حيث يوجه الخلايا الجذعية للتحول إلى خلايا منتجة للغضروف. وفي الوقت نفسه، يتم إطلاق الريسفيراترول ببطء مع بدء تفكك هيكل الحمض النووي. يساعد هذا المركب الكيميائي الخلايا الجذعية على مقاومة البيئة الالتهابية للمفصل المصاب بالفصال العظمي، مما يبقيها على قيد الحياة ويسمح لها بالتكاثر. والنتي نتيجة لذلك هي جهد منسق حيث يجمع الروبوت النانوي الخلايا، ويحافظ على سلامتها، ويوجهها لإعادة بناء الأنسجة المتضررة.

لاختبار ما إذا كان هذا النظام يعمل، راقب العلماء أولاً الروبوتات النانوية في بيئة مختبرية. وقد تأكدوا من أن مثلثات الحمض النووي قد تجمعت بنجاح وأن المكونات المختلفة، بما في ذلك ببتيد استهداف الغضروف وخطاف استدعاء الخلايا الجذعية، قد تم تثبيتها بشكل صحيح. وعندما وضعوا هذه الأجهزة في محلول يحتوي على خلايا جذعية من نخاع العظام، انجذبت الخلايا نحو الروبوتات النانوية وامتصتها. وفي الاختبارات التي أجريت على مفاصل ركبة الفئران الفعلية، بقيت الروبوتات النانوية المعدلة بببتيد استهداف الغضروف في المفصل لفترة أطول بكثير من تلك التي لم تُعدل، مما أثبت قدرتها على الالتصاق بفعالية بسطح الغضروف واختراق الأنسجة.

ثم انتقل الباحثون إلى نموذج حي، حيث قاموا بإنشاء فئران مصابة بالفصال العظمي عن طريق زعزعة استقرار مفاصل ركبتها جراحياً. وحقنوا النسخ المختلفة من الروبوتات النانوية للحمض النووي في مفاصل هذه الفئران مرة واحدة في الأسبوع لمدة عشرة أسابيع. وأظهرت النتائج فرقاً واضحاً بين المجموعات؛ حيث أظهرت الفئران التي عولجت بالروبوت النانوي المجهز بالكامل، والذي يحمل كل من التعليمات الوراثية والمادة الكيميائية الواقية، التحسن الأكثر أهمية. فقد ظل الغضروف لديها أكثر سمكاً وسلامة، وانخفض الالتهاب في بطانة المفصل. وفي المقابل، استمرت الفئران التي تلقت أجزاءً فقط من النظام أو لم تتلقَ أي علاج في المعاناة من تدهور شديد في الغضروف وتغيرات عظمية نموذجية للمرض.

وكشف المزيد من التحليل أن الفئران المعالجة حافظت على توازن أفضل في أنسجة مفاصلها. فقد ظلت مستويات البروتينات التي تبني الغضروف مرتفعة، بينما تم ضبط مستويات الإنزيمات التي تكسر الغضروف. كما ظل العظم تحت الغضروفي، وهو الطبقة العظمية الواقعة تحت الغضروف مباشرة، أكثر صحة، حيث أظهر صلابة أقل ونمواً أقل للزوائد العظمية المعروفة باسم "النتوءات العظمية". والأهم من ذلك، وجدت الدراسة عدم وجود علامات على السمية؛ فلم تفقد الفئران وزنها، وظلت وظائف الكبد والكلى لديها طبيعية، مما يشير إلى أن أجهزة الحمض النووي كانت آمنة للجسم.

يشير هذا العمل إلى أن استخدام الروبوتات النانوية المعتمدة على الحمض النووي لاستدعاء وتوجيه الخلايا الجذعية الخاصة بالجسم يقدم مساراً واعداً لعلاج الفصال العظمي. فمن خلال الجمع بين استهداف الغضروف، واستدعاء الخلايا الجذبية، وتوصيل العوامل العلاجية في حزمة واحدة متوافقة حيوياً، أثبت الباحثون طريقة للتغلب على قيود علاجات الخلايا السابقة. لا يتطلب هذا النهج إدخال خلايا غريبة قد يرفضها الجهاز المناعي، بل يعمل بدلاً من ذلك على تمكين الخلايا الموجودة بالفعل في المفصل من إصلاح الضرر. ورغم أن هذه الدراسة أجريت على الفئران وتمثل خطوة كبيرة للأمام في المختبر، إلا أنها توفر أساساً ملموساً لاستراتيجيات مستقبلية يمكن أن تساعد البشر يوماً ما في وقف تقدم تدهور المفاصل.