Transient Vascular Cell Integration and Intrinsic Media-Stimulated Endothelial Activation Reveal Diabetic Retinopathy Signatures in Human Retinal Organoids

تعتمد العين البشرية على طبقة رقيقة من الأنسجة في الخلف تسمى الشبكية لتحويل الضوء إلى الصور التي نراها. هذه الأنسجة ليست مجرد شاشة سلبية، بل هي شبكة معقدة وحية من الخلايا العصبية التي تتطلب إمداداً مستمراً من الأكسجين والمواد المغذية التي تنقلها شبكة كثيفة من الأوعية الدموية الدقيقة. وبدون هذا الدعم الوعائي، تبدأ الخلايا في مركز الشبكية في الموت، مما يؤدي إلى العمى في حالات مثل اعتلال الشبكية السكري. لعقود من الزمن، حاول العلماء زراعة نسخ مصغرة من الشبكية البشرية في المختبر باستخدام الخلايا الجذعية. هذه الهياكل الصغيرة ذاتية التنظيم، المعروفة باسم العضويات (organoids)، كانت لا تقدر بثمن في دراسة كيفية تطور العين. ومع ذلك، ظل هناك قصور رئيسي مستمر: تظل هذه الشبكيات المزروعة مخبرياً غير وعائية إلى حد كبير، مما يعني أنها تفتقر إلى الأوعية الدموية اللازمة لاستدامتها على المدى الطويل. ونتيجة لذلك، غالباً ما تفشل في النضج بشكل كامل أو في محاكاة الأمراض التي يكون فيها فشل الأوعية الدموية هو السبب الجذري.

لطالما سعى الباحثون لحل هذه المشكلة بإضافة أوعية دموية إلى هذه العيون المزروعة مخبرياً، لكن القيام بذلك دون تدمير البنية المعقدة والمتعددة الطبقات للشبكية ثبت أنه أمر صعب. فمجرد خلط هذين النوعين من الأنسجة غالباً ما يؤدي إلى فوضى غير منظمة حيث تنهار الطبقات الدقيقة للخلايا العصبية. علاوة على ذلك، لم يكن من الواضح ما إذا كان يجب إضافة الأوعية الدموية والخلايا المناعية اللازمة لدعم الشبكية من الخارج، أم أن نسيج الشبكية نفسه يحمل القدرة الكامنة على توليد هذه الخلايا الداعمة تحت الظروف المناسبة. وفهم هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لإنشاء نماذج دقيقة لأمراض العين، لا سيما الحالات مثل السكري، حيث يؤدي ارتفاع نسبة السكر في الدم إلى تلف الأوعية الدقيقة في العين، مسبباً الالتهاب وفقدان الرؤية.

لقد اتخذ فريق من العلماء في جامعة نيوكاسل والمؤسسات المتعاونة الآن خطوة كبيرة نحو حل هذا اللغز. فقد نجحوا في زراعة عضويات شبكية بشرية تضمنت خلايا الأوعية الدموية والخلايا المناعية، ولكن مع تحول جوهري: كان التكامل مؤقتاً، وكان توقيت الإضافة هو المفتاح. فمن خلال إدخال هذه الخلايا الوعائية في مرحلة مبكرة محددة من التطور، وجد الباحثون أن العضويات يمكنها الحفاظ على هيكلها الطبقي السليم، بل والاستجابة للضوء، تماماً مثل الشبكية البشرية السليمة. ولعل الأمر الأكثر إدهشة هو اكتشافهم أنه عندما قاموا بزراعة العضويات الشبكية في بيئة غنية بالمغذيات ومعززة للأوعية الدموية دون إضافة أي أوعية خارجية، قامت العضويات تلقائياً بتوليد خلايا داخلية تشبه الأوعية الدموية الالتهابية. وقد أظهرت هذه الخلايا المصنوعة ذاتياً سمات جينية مشابهة بشكل صارخ لتلك الموجودة في العيون البشرية التي تعاني من اعتلال الشبكية السكري، مما يوفر طريقة جديدة لدراسة هذا المرض دون الحاجة إلى التلاعب بمستويات السكر في الطبق.

بدأ الباحثون بإنشاء "عضويات وعائية" من الخلايا الجذعية البشرية. وهذه عبارة عن كرات صغيرة ثلاثية الأبعاد من الأنسجة تتطور طبيعياً إلى مزيج من خلايا الأوعية الدموية، والخلايا الداعمة، وخلايا المناعة. ثم اختبروا استراتيجيتين مختلفتين لدمج العضويات الوعائية مع العضويات الشبكية النامية. في النهج الأول، حاولوا دمج عضويين مكتملين معاً، لكن هذا أدى إلى فقدان الطبقات المنظمة للشبكية بعد بضعة أسابيع. أما النهج الثاني فقد أثبت نجاحاً أكبر؛ حيث قام الفريق بتفكيك العضويات الوعائية إلى خلايا فردية ونثرها فوق شريحة مسطحة من النسيج الشبكي النامي قبل أن يتكور النسيج ليصبح كرة ثلاثية الأبعاد. وقد فعلوا ذلك في وقتين مختلفين: عندما كانت الخلايا الوعائية شابة (اليوم 12) وعندما كانت أكثر نضجاً (اليوم 30).

أظهرت النتائج أن توقيت هذا الإدخال كان هو كل شيء. فعندما أضاف الباحثون الخلايا الوعائية الأصغر سناً (في اليوم 12)، طورت العضويات بعض البنية، لكن التكامل كان أقل استقراراً. ومع ذلك، عندما أضافوا الخلايا الوعائية الأكثر نضجاً (في اليوم 30)، كانت النتيجة مذهلة. فقد هاجرت الخلايا الوعائية إلى داخل نسيج الشبكية واستمرت لفترة، ولكن الأهم من ذلك أنها فعلت ذلك دون تعطيل البنية الدقيقة للشبكية. حافظت العضويات على طبقاتها المتميزة، مع وجود المستقبلات الضوئية في الخارج والخلايا العصبية في الداخل، تماماً كما هي في العين البشرية. والأهم من ذلك، ظلت هذه العضويات وظيفية؛ فعند تعرضها للضوء، أطلقت الخلايا العصبية في العضويات إشارات كهربائية، مما يشير إلى أن الدوائر المعقدة للشبكية قد تشكلت بشكل صحيح رغم وجود خلايا الأوعية الدموية الجديدة.

بينما تلاشت الخلايا الوعائية في النهاية من العضويات بعد حوالي 100 يوم، كشفت التجربة عن قدرة خفية داخل نسيج الشبكية نفسه. ففي مجموعة ضابطة حيث قام الباحثون بزراعة عضويات شبكية في سائل خاص مصمم لتشجيع نمو الأوعية الدموية دون إضافة أي خلايا وعائية خارجية، بدأت العضويات في إنتاج خلايا تشبه الأوعية الدموية من تلقاء نفسها. لم تكن هذه الخلايا أوعية منظمة كما في العين الحية، بل ظهرت كتجمعات غير منظمة تعبر عن علامات الالتهاب والإجهاد.

وعندما حلل العلماء الشفرة الجينية لهذه الخلايا المتولدة ذاتياً، وجدوا صلة مذهلة بالمرض؛ إذ حملت هذه الخلايا مجموعة محددة من التعليمات الجينية التي تطابق ملف خلايا الأوعية الدموية في العيون البشرية المعرضة لمستويات عالية من السكر، وهي سمة مميزة لمرض السكري. أظهرت هذه الخلايا علامات الالتهاب والتحول نحو حالة أكثر صلابة تشبه الندبة، وهي علامات تحذير مبكرة لاعتلال الشبكية السكري. وقد حدث هذا على الرغم من أن الباحثين لم يضيفوا سكراً إضافياً إلى المزرعة؛ إذ كان مجرد وجود السائل المحفز للأوعية الدموية كافياً لتحفيز هذه الحالة المرضية في خلايا العضويات نفسها.

كما سلطت الدراسة الضوء على الجهاز المناعي داخل العين. فقد وجد الباحثون أن الخلايا المناعية، وتحديداً نوع من خلايا الدم البيضاء يُعرف باسم الخلايا الدبقية الصغيرة (microglia)، تظهر بشكل طبيعي في جميع العضويات، بغض النظر عما إذا كانت قد أضيفت خلايا خارجية أم لا. وكانت هذه الخلايا تتحرك عبر النسيج، وتغير شكلها من مستدير إلى متفرع مع نضوج العضويات، محاكيةً سلوك الخلايا المناعية في العين البشرية النامية. وهذا يشير إلى أن الشبكية لديها قدرة ذاتية على استقطاب وإيواء دفاعاتها المناعية، وهي ميزة أساسية لدراسة كيفية مساهمة الالتهاب في أمراض العين.

تتحدى هذه النتائج الافتراض القائل بأن جميع الأوعية الدموية والخلايا المناعية يجب أن تُضاف من الخارج لدراسة أمراض الشبكية. بدلاً من ذلك، تشير الأبحاث إلى أن نسيج الشبكية نفسه يحتوي على القدرة على توليد هذه الأنظمة الداعمة، ولكن البيئة التي تنمو فيها هي التي تحدد ما إذا كانت ستصبح سليمة أو مريضة. فعندما تكون البيئة عدوانية للغاية أو تفتقر إلى الإشارات الفيزيائية الصحيحة، تولد العضويات نسخة فوضوية والتهابية من الأوعية الدموية تحاكي الضرر الناتج عن اعتلال الشبكية السكري.

يوفر هذا العمل أداة جديدة لفهم كيف يؤدي فشل الأوعية الدموية إلى العمى. فمن خلال إنشاء نموذج تولد فيه الشبكية أوعيتها الدموية المجهدة ذاتياً، يمكن للعلماء الآن دراسة الأحداث الجزيئية المبكرة لاعتلال الشبكية السكري في سياق نسيج بشري. كما تسلط الأبحاء الضوء على أهمية التوقيت والبيئة في هندسة الأنسجة؛ فهي تظهر أنه بينما يمكن لإضافة الخلايا الوعائية الناضجة أن تدعم تطور الشبكية دون التسبب في ضرر، فإن الظروف المستخدمة لزراعة هذه الأنسجة يجب التحكم فيها بعناية لتجنب إطلاق حالات مرضية عن طريق الخطأ. إن القدرة على زراعة عضوية شبكية تكون وعائية ومجهزة مناعياً، مع الحفاظ على سلامتها الهيكلية، تمثل تقدماً كبيراً في إنشاء نماذج واقعية للعين البشرية لاختبار العلاجات الجديدة.