PINPOINT enables non-destructive nanoscopic quality control of individual lipid nanoparticles and their mRNA cargo

دخل الطب الحديث عصراً يمكن فيه استخدام تعليمات الجسم الخاصة، المكتوبة في جزيء يسمى الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA)، لتعليم الخلايا كيفية محاربة الأمراض أو تعويض البروتينات المفقودة. ولإيصال هذه التعليمات الهشة بأمان إلى داخل جسم الإنسان، يغلفها العلماء في فقاعات مجهرية صغيرة جداً مصنوعة من الدهون، تُعرف باسم الجسيمات النانوية الدهنية. تعمل هذه الفقاعات كمركبات واقية، حيث تحمي الشحنة الجينية من البيئة القاسية خارج الخلية وتوجهها إلى الوجهة الصحيحة. ويعتمد نجاح اللقاحات والعلاجات الجديدة الأخرى كلياً على بناء هذه المركبات بشكل صحيح: إذ يجب أن تكون بالحجم المناسب، وتحمل الكمية الصحيحة من الدواء، وتحافظ على سلامة ذلك الدواء. ومع ذلك، فإن فحص جودة هذه المليارات من الفقاعات الصغيرة كان يشبه محاولة الحكم على محتويات صندوق مغلق عن طريق وزن الكومة بأكملها؛ فالاختبارات القياسية تقيس متوسط الدفعة بأكملها، مما يخفي حقيقة أن بعض الفقاعات قد تكون فارغة، وبعضها قد يكون مكسوراً، وأخرى قد تحمل الكثير جداً أو القليل جداً من الدواء.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ميشيغان طريقة جديدة للنظر داخل هذه الفقاعات دون كسرها. أطلقوا على طريقتهم اسم "PINPOINT"، وهي تقنية تتيح للعلماء فحص كل جسيم نانوي على حدة، ورؤية شكله والتحقق بدقة مما بداخله. وبدلاً من طحن العينة للحصول على قراءة متوسطة، يستخدم هذا النهج مجهراً خاصاً لمراقبة الجسيمات الفردية وهي مستقرة على شريحة زجاجية. يقوم الباحثون أولاً بالتقاط صورة للغلاف الخارجي للفقاعة باستخدام صبغة تتوهج عندما تلمس الدهون، مما يكشف عن حجم الجسيم وما إذا كان مستديراً تماماً أم مشوهاً. بعد ذلك، يقومون بثقب جدار الفقاعة برفق عبر ثقب صغير ومؤقت باستخدام مادة تشبه الصابون الخفيف جداً. هذا الثقب كبير بما يكفي للسماي للمسبار بالوصول إلى الداخل ولمس الشحنة الجينية، ولكنه صغير بما يكفي لتبقى الفقاعة سليمة ولا تتفكك.

بمجرد أن يتمكن المسبار من الوصول إلى الداخل، فإنه يعمل مثل مفتاح محدد لا يناسب إلا قفلاً معيناً. استخدم الباحثون خيوطاً قصيرة من الحمض النووي (DNA) مصممة للارتباط فقط بالرسالة الجينية المحددة التي يبحثون عنها. ولأن التعليمات الجينية داخل الفقاعة غالباً ما تكون مطوية بإحكام، فقد أضاف الفريق خيوطاً مساعدة من الحمض النووي لتنعيم الطيات وجعل الرسالة أسهل في العثور عليها. عندما يجد المسبار مطابقته، فإنه يضيء ثم يتركها، ويكرر هذه العملية مرات عديدة. ومن خلال مراقبة عدد المرات التي يرتبط فيها المسبار ومدة بقائه متصلاً، يمكن للباحثين التأكد من هوية الشحنة وحتى معرفة ما إذا كانت الرسالة كاملة أم مكسورة. وقد كشفت هذه الطريقة أن هناك تنوعاً كبيراً حتى في الدفعات التي تبدو موحدة على السطح: فبعض الجسيمات فارغة، وبعضها يحمل نسخاً متعددة من الرسالة، وبعضها يتغير شكله بعد التجميد والإذابة.

أظهرت الدراسة أن هذه الطريقة الجديدة يمكنها اكتشاف الاختلافات التي تغفل عنها الاختبارات التقليدية. فعلى سبيل المثال، عندما عرض الباحثون الجسيمات النانوية للإجهاد عن طريق التجميد والإذابة، لم ترَ الاختبارات القياسية سوى تغيير طفيف في متوسط الحجم. لكن الطريقة الجديدة أظهرت أن عدداً كبيراً من الجسيمات أصبح مشوهاً ولم يعد دوائر مثالية، وهو تفصيل يمكن أن يؤثر على مدى فعاليتها في الجسم. كما سمحت للفريق أيضاً بعدّ كم عدد نسخ الرسالة الجينية الموجودة داخل كل فقاعة، حيث وجدوا أن العدد يختلف من جسيم إلى آخر. وفي إحدى التجارب، وجدوا أن حوالي ستين بالمائة فقط من الفقاعات كانت تحتوي بالفعل على الرسالة الجينية التي كان من المفترض أن تحملها، بينما كانت البقية فارغة. يوفر هذا المستوى من التفاصيل صورة أوضح بكثير لما يحدث حقاً داخل دفعة الدواء.

من خلال الجمع بين رؤية شكل الجسيم والتحقق من محتوياته، توفر هذه التقنية أداة قوية لضمان جودة هذه العلاجات المنقذة للحياة. فهي لا تتطلب تدمير العينة أو استخدام تفاعلات كيميائية معقدة لتضخيم الإشارة، مما يعني أن النتائج تعكس الحالة الحقيقية للجسيمات كما هي. وبينما لا تعتبر الطريقة الحالية سريعة بما يكفي لفحص كل جرعة منفردة على خط الإنتاج في المصنع، إلا أنها توفر خريطة مفصلة لما يحدث خطأً عندما تكون الدفعة غير مثالية. يساعد هذا الفهم العلماء على فهم سبب عمل بعض الدفعات بشكل أفضل من غيرها، ويوجه تصميم أنظمة توصيل أفضل للمستقبل. إن القدرة على رؤية الاختلافات الفردية داخل حشد من المليارات تحول المشكلة الخفية إلى حقيقة قابلة للقياس، مما يمهد الطريق نحو علاجات أكثر اتساقاً وفعالية.