Gelatin and PLG-based Scaffolds Differentially Support Follicle Integrity and Oocyte Growth in a 3D printed Scaffold

بالنسبة للعديد من الأطفال الذين يواجهون أنواعاً من السرطان تهدد حياتهم، فإن العلاجات التي تنقذ حياتهم نفسها قد تسرق مستقبل خصوبتهم. فغالباً ما يؤدي العلاج الكيميائي والإشعاعي إلى إتلاف المبيضين، وهما العضوان المسؤولان عن إنتاج البويضات والهرمونات الأساسية. وفي حالة البالغين، يمكن للأطباء أحياناً تجميد وتخزين أنسجة المبيض لاستخدامها لاحقاً، لكن هذا النهج يشكل خطورة على الأطفال؛ إذ تحتوي مبايضهم على بويضات غير ناضجة لا يمكن تجميدها بشكل فردي، كما أن إعادة زرع أنسجتهم الخاصة تحمل خطر إعادة إدخال الخلايا السرطانية إذا كان المرض قد انتشر إلى هناك. ولحل هذه المعضلة، يعمل العلماء على نوع مختلف من الحلول، وهو المبيض الاصطناعي (bioprosthetic ovary). وهذا عبارة عن عضو اصطناعي مبني من "سقالة" (scaffold)، وهي هيكل دقيق ومسامي مصمم لاحتواء أكياس بويضات معزولة، تُسمى الجريبات (follicles)، والمساعدة على نموها ونضجها خارج الجسم حتى تصبح جاهزة للاستخدام. والهدف هو استبدال الأنسجة التالفة بهذا النظام الداعم الهندسي، مما يسمح للجسم بإنتاج الهرمونات وإطلاق بويضات سليمة في نهاية المطاف.

يكمن التحدي في إيجاد المادة المناسبة لبناء هذه السقالة. فالجريب هو بنية دقيقة ثلاثية الأبعاد يجب تثبيتها بإحكام، مع السماح لها أيضاً بالتمدد أثناء نموها. كما يجب أن تتفاعل مع الخلايا الداعمة المحيطة وتتلقى العناصر الغذائية، تماماً كما تحتاج النبتة إلى التربة المناسبة لتتجذر وتزهر. وقد استخدم الباحثون سابقاً مادة تسمى الجيلاتين، المشتق من الكولاجين، لأنها تحاكي البيئة الطبيعية للجسم وتساعد الخلايا على الالتصاق بها. وفي الآونة الأخيرة، بحثوا أيضاً في مادة اصطناعية فائقة المسامية تسمى "البولي لاكتيك كوجليكوليك" فائق النعومة، أو (UF-PLG). هذه المادة خفيفة للغاية ويمكنها امتصاص أضعاف وزنها من السوائل، مما يوفر نوعاً مختلفاً من الهياكل. وكان السؤال هو ما إذا كانت إحدى هاتين المادتين متفوقة بوضوح، أم أنهما تقدمان نقاط قوة مختلفة قد تتطلب الدمج بينهما.

قام فريق من الباحثين بمقارنة هذه المواد بشكل مباشر. واستخدموا طابعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء سقالات دقيقة من ثلاث مواد مختلفة: الجيلاتين النقي، و(UF-PLG) النقي، ونسخة هجينة حيث تم طلاء الـ (UF-PLG) بالجيلاتين. وطبعوا هذه السقالات بنمط هندسي محدد، يتكون من خمس طبقات من الدعامات المرتبة بزاوية ستين درجة عن بعضها البعض، مما يخلق زوايا يمكنها احتضان الجريبات الكروية مادياً. ثم أخذوا جريبات ثانوية، وهي أكياس بويضات صغيرة بحجم حبة الرمل تقرياً، من مبايض فئران صغيرة في سن مبكرة. ووضع كل جريب على أحد أنواع السقالات الثلاثة وتركوه ينمو في سائل غني بالمغذيات لمدة يومين أو أربعة أو ستة أيام. ثم فحص العلماء الجريبات تحت مجاهر قوية لمعرفة مدى جودة بقائها ملتصقة، وما إذا كانت تحافظ على شكلها، ومدى نمو البويضة بداخلها.

كشفت النتائج عن انقسام واضح في الأداء. فقد كانت السقالات المصنوعة من الجيلاتين النقي ممتازة في الحفاظ على سلامة وأمان الجريبات؛ حيث بقيت جميع الجريبات الموضوعة على هذه السقالات تقريباً ملتصقة، وحافظت على سلامتها الهيكلية، مما يعني أن الطبقات الواقية حول البويضة لم تنكسر. كما شجع الجلاتين الخلايا الداعمة المحيطة على الهجرة إلى السقالة والالتفاف حول الجريب، مما خلق وحدة متكاملة وقوية. وفي المقابل، كان أداء الجريبات على سقالات (UF-PLG) النقية سيئاً؛ إذ سقط معظمها عن الهيكل تماماً، وحتى تلك التي بقيت غالباً ما تعرضت للتمزق، وفقدت غلافها الواقي. أما السقالات الهجينة، التي جمعت بين المادتين، فقد أظهرت حلاً وسطاً فيما يتعلق بالالتصاق، لكنها قدمت ميزة مفاجئة للنمو.

ورغم أن سقالات الجيلاتين كانت الأفضل في تثبيت الجريبات في مكانها، إلا أنها لم تكن الأفضل في مساعدة البويضة بداخلها على النمو إلى حجم كامل. فقد قاس الباحثون قطر البويضات لمعرفة ما إذا كانت ستصل إلى حجم يشير إلى جاهزيتها للإخصاب، وهو معيار يُعرف بالكفاءة التنموية (developmental competence). في الفئران، يجب أن تصل البويضة إلى قطر يتراوح بين 70 إلى 72 ميكرومتر تقريباً لتعتبر كفؤة. لقد نمت البويضات على سقالات الجيلاتين، لكنها ظلت أصغر من هذا المستهدف. ومع ذلك، فإن البويضات على السقالات الهجينة (UF-PLG-gel) نمت لتصبح أكبر من المعيار المحدد، حيث وصل متوسط قطرها إلى 75.6 ميكرومتر. ويشير هذا إلى أنه بينما كان الجيلاتين أفضل في منع الجريب من التفكك، فإن المادة الهجينة وفرت بيئة سمحت للبويضة بالتمدد بحرية أكبر.

كما اختبر الباحثون ما إذا كان جعل السقالات أكثر صلابة سيغير النتيجة. فقد قاموا بزيادة عملية "الربط المتصالب" (crosslinking) الكيميائي، والتي تعمل مثل الغراء لتقسية المادة، ووجدوا أن هذا جعل سقالات الجيلاتين أكثر صلابة بشكل ملحوظ. ومع ذلك، لم يغير هذا التغيير في الصلابة بشكل كبير من مدى جودة التصاق الجريبات أو مقدار نمو البويضات. كانت الاختلافات في طبيعة المواد نفسها أهم بكثير من الاختلافات في مدى صلابتها. وتشير هذه النتيجة إلى أن الطبيعة الكيميائية للمادة، وليس مجرد صلابتها الفيزيائية، هي المحرك الأساسي لسلوك الجريب.

تشير هذه النتائج إلى طريقة جديدة للتفكير في بناء الأعضاء الاصطناعية. لفترة طويلة، أمل العلماء في العثور على مادة واحدة يمكنها القيام بكل شيء بشكل مثالي: تثبيت النسيج بأمان ومساعدة نموه حتى النضج. تشير هذه الدراسة إلى أن مادة "مقاس واحد يناسب الجميع" قد لا تكون موجودة. بدلاً من ذلك، فإن احتياجات الجريب للاستقرار تختلف عن احتياجاته للنمو. فقد وفر الجيلاتين الاستقرار اللازم للحفاظ على تماسك الهيكل، بينما بدا أن مكون (UF-PLG) يوفر المساحة أو الإشارات اللازمة لتصل البويضة إلى إمكاناتها الكاملة. وهذا يعني أن أكثر المبايض الاصطناعية فعالية في المستقبل قد تحتاج إلى البناء باستخدام مواد متعددة، مرتبة بعناية لتوففر مأوى آمناً للجريب مع توفير بيئة تسمح بنضج البويضة في الوقت نفسه. ومن خلال فهم أن مراحل التطور المختلفة تتطلب بيئات فيزيائية مختلفة، يمكن للعلماء الاقتراب من ابتكار حل موثوق لاستعادة الخصوبة لأولئك الذين فقدوها بسبب السرطان.