Surface engineering of PDMS using gelatin-polyvinyl alcohol for renal cell-compatible microfluidic applications
طورت هذه الدراسة منصة مائعية دقيقة من مادة البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) مغلفة بالجيلاتين وكحول البولي فينيل، نجحت في إنشاء بيئة تدفق طبقي مستقرة ومنخفضة القص تدعم التصاق وحيوية الخلايا الكلوية، مما يؤسس لنظام قاعدي لدراسات استجابة الأدوية في المختبر للمقارنة مستقبلاً.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يُعد سرطان الكلى مرضًا معقدًا حيث تنقلب خلايا الجسم ضد العضو الذي يقوم بتصفية الدم. ولإيجاد علاجات أفضل، يحتاج العلماء إلى اختبار الأدوية على خلايا حية بطريقة تحاكي جسم الإنسان. لعقود من الزمن، قام الباحثون بزراعة هذه الخلايا في أطباق بلاستيكية مسطحة، لكن هذه البيئة الساكنة تغفل تفصيلاً حاسماً: ففي الجسم الحقيقي، تسبح الخلايا باستمرار في سوائل متدفقة تحمل العناصر الغذائية وتزيل الفضلات. كما يمارس هذا التدفق ضغطاً فيزيائياً لطيفاً على الخلايا، مما يمكن أن يغير سلوكها وكيفية استجابتها للدواء. ولدراسة ذلك، يستخدم العلماء أجهزة صغيرة تسمى رقائق الموائع الدقيقة (microfluidic chips)، وهي في الأساس أنظمة سباكة مصغرة مصنوعة من بلاستيك شفاف ومرن. تسمح هذه الرقائق للباحثين بضخ السوائل عبر قنوات مجهرية ومراقبة الخلايا وهي تعيش وتتفاعل في الوقت الفعلي. ومع ذلك، فإن البلاستيك المستخدم لصنع هذه الرقائق طارد للماء بطبيعته، مما يجعل من الصعب على الخلايا الالتصاق بالسطح والنمو بشكل صحيح. وإذا لم تتمكن الخلايا من الالتصاق، تفشل التجربة. لذا، يكمن التحدي في جعل هذا البلاستيك صديقاً بما يكفي لتزدهر خلايا الكلى الحساسة، مع الحفاظ على تدفق السائل ثابتاً ومتوقعاً.
في دراسة حديثة، سعى الباحثون لحل هذه المشكلة من خلال إنشاء سطح جديد لهذه الرقائق الموائعية الدقيقة، مصمم خصيصاً لدعم خلايا الكلى. لقد ركزوا على مادة تسمى "بوليديميثيل سيلوكسان" (PDMS)، وهي البلاستيك القياسي لصنع هذه الأجهزة الصغيرة لأنها شفافة ومرنة وسهلة التشكيل. وتكمن المشكلة في أن مادة (PDMS) غير المعالجة هي مادة كارهة للماء (hydrophobic)، مما يعني أنها تطرد الماء تماماً مثلما يطرد معطف المطر المطر. وبما أن الخلايا الحية تحتاج إلى الماء لتبقى على قيد الحياة، فإنها تجد صعوبة في الالتصاق بهذا السطح الزلق. ولإصلاح ذلك، طور الفريق طبقة تغليف مكونة من مادتين شائعتين: الجيلاتين، المشتق من الكولاجين والذي يساعد الخلايا على الالتصاق، والبولي فينيل كحول، وهو بوليمر محب للماء يجعل السطح أكثر بللاً. اختبروا تركيبات مختلفة من هذه المواد على شرائح مسطحة من البلاستيك لمعرفة أي منها يسمح لخلايا الكلى بالانتشار والنمو بشكل أفضل. ووجدوا أن مزيج الاثنين يعمل بشكل أفضل من كل منهما بمفرده، محولاً السطح الطارد للماء إلى سطح يرحب بالخلايا.
بمجرد تحديد أفضل طبقة تغليف، قام الباحثون ببناء جهاز مكون من ثلاث قنوات لاختبارها في الواقع. تميز التصميم بقناتين جانبيتين مخصصتين لنمو الخلايا وقناة مركزية لتوصيل السوائل أو الأدوية. قاموا بتصنيع الجهاز عن طريق وضع ثلاث طبقات من البلاستيك فوق بعضها، وربطها معاً بمعالجة بلازما خاصة لضمان عدم وجود تسريبات. ولإثبات نجاح الجهاز، ضخوا صبغة خضراء عبر القنوات بمعدل 10 ميكرولتر في الدقيقة. تدفقت الصبغة بسلاسة عبر الشبكة بأكملها، وملأت كل زاوية دون تسريب أو انسداد، مما أكد سلامة نظام السباكة الدقيق. ثم قاموا بحساب الظروف الفيزيائية داخل هذه القنوات؛ كان التدفق بطيئاً ومستقراً، حيث يتحرك بسرعة تقارب 1.59 مليمتر في الثانية. ولأن القنوات كانت ضيقة جداً وتحرك السائل ببطء شديد، تصرف الماء بطريقة متوقعة وسلسة للغاية، تُعرف باسم "التدفق الطبقي" (laminar flow)، بدلاً من الدوران العشوائي. وكانت قوة دفع الماء ضد الجدران لطيفة للغاية، حيث بلغت حوالي 0.059 باسكال، وهو مستوى من الضغط من غير المرجح أن يؤذي الخلايا الحساسة.
بعد التأكد من أن الجهاز خالٍ من التسريب ورسم خرائط ظروف التدفق، انتقل الفريق إلى الاختبار البيولوجي. قاموا بتغطية الجزء الداخلي من القنوات بمزيج الجلاتين والبولي فينيل كول، ثم أدخلوا خلايا سرطان الكلى إلى النظام. وتحت المجهر، شوهدت الخلايا وهي تنتشر وتلتصق بالجدران المغلفة، وهي علامة على أن السطح متوافق مع الحياة. وللتحقق مما إذا كانت الخلايا صحية، استخدم الباحثون صبغة خاصة تتوهج باللون الأخضر في الخلايا الحية وباللون الأحمر في الخلايا الميتة. أظهرت الصور توهجاً أخضر قوياً مع وجود القليل جداً من اللون الأحمر، مما يشير إلى أن الخلايا كانت حية وبصحة جيدة بعد وضعها في الجهاز. كانت هذه خطوة حاسمة، أثبتت أن الطبقة الجديدة يمكنها دعم الحياة داخل البيئة المعقدة والمغلقة للرقاقة، وليس فقط في طبق مسطح.
لفهم كيفية تفاعل هذه الخلايا مع العلاج، أجرى الباحثون أيضاً اختبارات أدوية قياسية على نفس أنواع الخلايا في أطباق مسطحة عادية. عرضوا خلايا السرطان ومجموعة مقارنة من خلايا الكلى غير السرطانية لدواءين مختلفين هما: 5-فلورويوراسيل وهيدروكسي كلوروكوين. أظهرت النتائج أن خلايا السرطان كانت أكثر حساسية تجاه 5-فلورويوراسيل مقارنة بالدواء الآخر، كما كانت أكثر حساسية له مقارنة بالخلايا غير السرطانية. وهذا يشير إلى أن 5-فلورويوراسيل يمكن أن يقتل خلايا السرطان دون إلحاق ضرر كبير بالخلايا السليمة. وبينما أجريت اختبارات الأدوية هذه في أطباق مسطحة وليس داخل الرقاقة الجديدة، إلا أنها وفرت خط أساس لما يمكن توقعه. لم يقم الباحثون بعد بتشغيل هذه الأدوية داخل الجهاز الموائعي الدقيق، ولم يختبروا الخلايا تحت ظروف التدفق المستمر لفترة طويلة. بدلاً من ذلك، كان العمل بمثابة إثبات للمفهوم، يوضح أن هندسة السطح كانت ناجحة وأن الجهاز يمكنه احتواء الخلايا الحية.
تخلص الدراسة إلى أنه من خلال خلط الجيلاتين والبولي فينيل كحول، يمكن تحويل سطح الرقائق الموائعية الدقيقة إلى بيئة مضيافة لخلايا الكلى. يمهد هذا التقدم الطريق لتجارب مستقبلية حيث يمكن للعلماء زراعة كل من الخلايا السرطانية والسليمة جنباً إلى جنب في نفس الجهاز، وتعريضهم لنفس الأدوख المتدفقة لمعرفة كيفية تأثير العلاج على كل مجموعة بدقة. وبينما لم يقم الباحثون بعد بإجراء هذه الاختبارات المقارنة للأدوية داخل الرقاقة، فقد وضعوا الأساس الضروري: جهاز لا يسرب، وتدفق لطيف ومسيطر عليه، وسطح يسمح للخلايا بالعيش والنمو. هذا الجمع بين علم المواد وديناميكا السوائل يقرب المجال خطوة أخرى من إنشاء نموذج مصغر وواقعي للكلية البشرية لاختبار علاجات السرطان الجديدة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.