باستخدام مايكرو سيستمز الكهربائية والميكانيكية (ممس) لتطوير أدوات التشخيص

أنا يو دي ميرسي، الباحث الرئيسي في مختبرات Bio Stick MAMs في الطب. حصلت على درجة الدكتوراه من جامعة ستانفورد في الهندسة الكهربائية. وأجريت أبحاث ما بعد الدكتوراه في كلية الطب بجامعة هارفارد في مستشفى ماساتشوستس العام (MGH)، حيث عملت على أنظمة Bio acoustic MAMs أو بشكل أساسي Bio MAs.

وأنا الآن أواصل عملي كعضو في هيئة التدريس في كلية الطب بجامعة هارفارد، وفي برنامج العلوم والتكنولوجيا الصحية المشترك بين هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT). كما أستمر في أبحاثي التي أستمتع بها كثيراً. لقد كان العمل الذي قمت به خلال مرحلة الدكتوراه مرتبطاً بشكل كبير بالقطيرات واستخدام الصوتيات لتوليد قطيرات ذات أحجام دقيقة، والتحكم في موقعها وموضعها لترسيب بوليمرات عالية الحساسية.

نطبق الآن تقنيات مماثلة لتغليف الخلايا داخل قطيرات، ثم وضعها على الأسطح من أجل تطبيقات متنوعة في هندسة الأنسجة، لطباعة الخلايا على الأسطح بهدف تشكيل أنماط خلوية. كما توجد تطبيقات تهدف إلى التحقق من إمكانية تغليف عدد قليل من الخلايا أو خلية واحدة من نفس المجموعة السكانية، وذلك لرصد الاختلافات بين الخلايا المنتمية للمجموعة ذاتها؛ لذا فإن القدرة على تغليف الخلايا في قطيرات بمعدلات إنتاجية عالية، تصل إلى نحو 10,000 خلية في الثانية، تصبح أمراً بالغ الأهمية ومفيداً جداً لفهم المشكلات البيولوجية. وبناءً على ذلك، يمكنني القول إن بحثي الحالي يرتكز على محورين.

أحد هذه الأعمال هو عمل تغليف الخلايا الذي تحدثت عنه للتو. كيف نقوم بتعبئة خلية داخل قطيرة، وكيف يمكننا القيام بذلك بشكل متكرر وموثوق ودون إلحاق الضرر بالخلايا؟ لذا، بعد قذف الخلية أو تغليفها في القطيرة، يجب أن نكون قادرين على تحديد موقعها بدقة على السطح، كما يجب أن تكون الخلية وظيفية وحية وقابلة للاستمرار.

لا ينبغي أن يتأثر بالآثار الناتجة عن القذف وما شابه ذلك. لذا، لدينا حالياً نظام نستخدم فيه الموجات الصوتية المركزة لتركيز القطرات لتوليد هذه القطيرات من أحواض مفتوحة، حيث يمكننا تغليف ما يصل إلى خلايا مفردة في هذه القطيرات الصغيرة جداً التي تضاهي حجم الخلية. وهذا أمر مثير للغاية من حيث تطبيق ذلك في طباعة الخلايا وهندسة الأنسجة.

الجانب الآخر من أبحاثي يتمثل مرة أخرى في استخدام تقنيات الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) لتطوير أدوات تشخيصية منخفضة التكلفة. وتعتمد هذه الأبحاث بشكل أساسي على مناهج الموائع الدقيقة، حيث يمكننا إدخال دم كامل، وبأحجام صغيرة جداً مثل عينة دم مأخوذة من وخزة إصبع، بأقل من 10 µL يمكن إدخالها إلى شريحة. ومن خلال هذا الدم، يمكننا تغليف أو التقاط مجموعات خلوية فرعية معينة من الدم الكامل.

لماذا يعد هذا الأمر مهماً؟ ولماذا يجب أن يكون منخفض التكلفة بالنسبة لتطبيقات الصحة العالمية؟ فمثلاً، إذا كنت في منطقة جبلية في أفريقيا، ستحتاج إلى القدرة على تحديد عدد خلايا CD4 T اللمفاوية لدى مريض مصاب بفيروس نقص المناعة البشرية (HIV). وذلك لأن منظمة الصحة العالمية تنص على أنه عند انخفاض عدد خلايا CD4 عن 200 خلية لكل µL، يجب البدء في علاج المرضى. أما في الدول المتقدمة، فيتم استخدام أجهزة قياس التدفق الخلوي (flow cytometers) التي تكلفتها مئات الآلاف من الدولارات للحصول على هذه البيانات.

وبالطبع يتطلب الأمر وقتاً ومهارة للتمكن من استخدام هذه الأجهزة الضخمة التي تشغل مساحة طاولة كاملة. أما شريحتنا الصغيرة فيمكن إدخال 10 µL من الدم الكامل فيها عبر هذه القطعة الصغيرة، وستقوم بالتقاط خلايا CD4 باستخدام ألفات البروتين السطحية. ومن ثم يمكنك عد هذه الخلايا الملتقطة بسرعة لأنك تعلم أنها خلايا CD4 مرتبطة بأجسام مضادة لبروتينات CD4 على سطح الشريحة.

من خلال التحكم في معدلات التدفق وقوة القص، يمكنك التأكد من تحسين النوعية والكفاءة لهذه الأنواع من الخلايا. وبالطبع، يوجد دائماً ارتباط غير نوعي، ولكن من خلال منهجيات القص التي نتبعها، نقوم بتقليل هذه التأثيرات والتأكد من أن نسبة الخطأ تتراوح بين ±10%، وهي نسبة كافية لاتخاذ قرار تشخيصي أو تنبؤي في أعلى جبل في أفريقيا. لذا، فإن لهذا تطبيقات مثيرة للاهتمام في مجال الصحة العالمية، كما أن هذه التقنيات منخفضة التكلفة والقابلة للاستخدام مرة واحدة يمكن أن تؤثر على العالم المتقدم، لأن هذه الاختبارات السريعة للدم، والتي تتميز بتكلفتها المنخفضة جداً، يمكن أن تؤثر على الاختبارات التي نستخدمها في الدول المتقدمة.

إذا تم تحسينها لتحقيق مستويات أعلى من الكفاءة والنوعية، وهو ما تظهره بياناتنا الأولية بإمكانية تحقيقه، فإن ذلك سيؤثر بالتأكيد على حياتنا. عندما أنهيت شهادة الدكتوراه، كانت لدي معرفة بالسوائل الدقيقة (microfluidics) وبأنظمة الموائع الدقيقة الاصطناعية (MAMs) أكثر من أي شيء آخر كان متاحاً لي، وبشكل خاص مع تطبيقات القطيرات، أدركت أن القدرة على طباعة الخلايا أو تغليفها أو التحكم في عدد قليل من الخلايا، أو حتى خلايا مفردة، سيكون لها تطبيقات كبيرة في مجال التكنولوجيا الحيوية. لقد كنت مهتمة جداً بالعمل على أشياء تؤثر فعلياً في حياة الناس.

لقد كنت أطبق هذه التقنيات في صناعة أشباه الموصلات، ولكنني أردت بعد ذلك أن أكون مفيداً للناس بشكل مباشر. وهذا ما وجهني نحو المشكلات في مجال الرعاية الصحية. ولهذا السبب قمت بتحول كبير وانتقلت إلى مستشفى ماساتشوستس العام (mass general hospital) لإتمام مرحلة ما بعد الدكتوراه.

وهناك، كما تعلم، تعرضت بشكل متزايد للمشكلات، وبدا لي، ومن الواضح تماماً، أن إحدى أكبر المشكلات التي تواجه العالم اليوم هي الصحة العالمية، حيث تظهر أمراض مثل السل وفيروس نقص المناعة البشرية HIV التي تودي بحياة الآلاف من الأشخاص يومياً. ولا يموت هؤلاء الأشخاص بسبب عدم توفر الأدوية، بل بسبب نقص أدوات التشخيص التي تُعد أغلى بكثير من الأدوية الموجودة. لذا، فأنا على دراية تامة بالجانب التكنولوجي لهذه الأمور.

لقد تعرفتُ على المشكلات البيولوجية، وكلما تعلمتُ عنها أكثر، أدركتُ مدى قدرتي على إحداث تأثير ملموس. ومن هنا بدأ كل شيء في التطور، ولا يزال هذا المسار مستمراً حتى الآن.

لقد رأيت أن هناك العديد من المشكلات في مجالي التكنولوجيا الحيوية والطب التي تؤدي بشكل مباشر إلى فقدان أرواح البشر، وأعتقد أن الجانب التكنولوجي والقدرة على تطبيقه لحل المشكلات الطبية في العالم الحقيقي هو مسار رائع للسير فيه. وهذا هو السبب في أن مجال التكنولوجيا الحيوية بأكمله ينمو في اعتقادي ويصبح ذا تأثير كبير. فإذا فكرت في الأمر، فإن فيروس نقص المناعة البشرية (HIV) والسرطان من أكبر المسببات للوفاة في العالم.

ويمكن للتقنيات المجهرية الحالية والنهج المتبعة حالياً أن تستفيد ربما من الكشف المبكر عن السرطان من خلال التقاط هذه الخلايا من الدم أو جعل العملية زهيدة التكلفة حقاً، مما سيجعلها متاحة للجماهير. لذا، ومن خلال تضافر كل هذه العوامل، أعتقد أن جميع تطبيقات التقنيات المجهرية في الرعاية الصحية والطب يمكن أن تؤثر على مستقبل البشر. وأظن أن هذا هو الكيفية التي تتكامل بها كل هذه الأمور معاً.

إن التواجد في برنامج العلوم الصحية والتكنولوجيا بجامعتي هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث تجد التكنولوجيا من جهة، والوصول المباشر إلى المرضى والأطباء في مستشفى بريغهام والنساء الذي أعمل به من جهة أخرى، يمثل بيئة رائعة؛ لأن كل شخص تتحدث إليه لديه مشاكله الخاصة، وبما أنك قد تأتي من خلفية مختلفة، يمكنك تقديم حلول مثيرة للاهتمام لتلك المشكلات الواقعية القائمة. وأعتقد أن هذا هو تصوري للمنظور الكامل لكيفية التقاء هذه المشكلات الطبية بالجانب التكنولوجي.

ونحن نسعى للتأثير في حياة الناس بطريقة إيجابية. وفي عملية التغليف الخلوي الفردي أو تغليف الخلايا، يكمن التحدي الرئيسي في القدرة على تغليف الخلايا الفردية بشكل موثوق وقابل للتكرار. فأنت تقوم بقذف 10,000 إلى 100,000 خلية في الثانية.

وكيف تتأكد من أن كل قطيرة تقذفها تحتوي على خلية واحدة فقط؟ هذه إحصائيات حيث تقوم بتغيير حجم القطيرة وتقليل، أو تحسين حجم الخلية بالنسبة لحجم القطيرة، وهو ما يعود بنا إلى المشكلة القديمة المتعلقة بتعبئة الكرات في حجم معين وما هي الطريقة الأكثر كفاءة للقيام بذلك. لذا، يمثل هذا التحدي الأكبر في مجال طباعة الخلايا من الجانب التقني.

أما الجانب الآخر من الأمر فهو أنه يمكنك الآن طباعة هذه الخلايا وتحديد موقعها بدقة. كيف يمكنك توليد هذه الأنسجة ثلاثية الأبعاد وكيف يمكنك الحفاظ عليها حية وكيف يمكنك زراعتها؟ وهنا تبرز الجوانب البيولوجية للمشكلات، حيث ترغب الآن في محاكاة النسيج بدقة.

لدينا حالياً مناهج تتيح لنا طباعة جزيئة من البنكرياس، وكذلك إمكانية الطباعة باستخدام خلايا العضلات الملساء لإنتاج نسيج مثانة يحاكي بدقة ما يوجد في المثانة البشرية، وبذلك يمكننا تصنيع هذا النسيج واختبار مدى كفاءة أدائه مقارنة بالأنسجة الأصلية الموجودة في الواقع. لذا، أعتقد أن التحدي الرئيسي يكمن في كيفية استخدام هذه التقنيات الحديثة لإنتاج النسيج المثالي الذي يمكن استبداله أو زراعته، وهذه هي المشكلة الأكبر منذ البداية؛ لأن التحكم في الخلية الواحدة يمنحك القدرة على تحديد مواقعها بدقة، ومن ثم يأتي السؤال: كيف يمكنك تنمية النسيج انطلاقاً من ذلك؟

لذا، فهو شيء قابل للزرع حيث يظهر تأثيره على حياة الإنسان. ومن هذا المنطلق، تكمن التحديات في جانب هندسة الأنسجة وفي التغليف، وفي التشخيص باستخدام الموائع الدقيقة، حيث يتمثل التحدي في القدرة على التقاط خلية واحدة من بين مليارات الخلايا. الأمر يشبه وجود حبيبة سكر في علبة ملح ومحاولة استخراج تلك الحبيبة، وهو ما يعادل البحث عن واحد من مليار.

إذًا، أنت تقوم بمعالجة كميات تتراوح من ميكرولترات إلى ملليلترات من الدم الكامل، وترغب في القدرة على عزل خلية واحدة من بين مليار خلية في ميكرولتر واحد من الدم الكامل -حيث يتوفر لديك بضعة ملايين من الخلايا- وذلك بشكل محدد وفعال ودون مواجهة أي مشكلات تقنية مثل الانسداد أو مشكلات بيولوجية مثل الارتباط غير النوعي. وبالنسبة لحالة الخلايا اللمفاوية T CD4 في ذلك الميكرولتر الواحد، فإننا نبحث عن حوالي ألف خلية لكل ميكرولتر؛ لذا فهي مشكلة تماثل عزل خلية واحدة من بين ألف، وقد أثبتنا أن ذلك أمر قابل للتنفيذ.

ولكن عندما تريد استهداف الخلايا الورمية المتداولة في حالات السرطان، يصبح التحدي هنا هو العثور على خلية واحدة من بين مليار خلية. لذا، ولتخليص الأمر، فإن التحدي يكمن في كيفية التقاط هذه الخلية الواحدة من بين مليارات الخلايا الأخرى المحيطة بها؟ وما هي الجوانب التقنية لذلك؟

ما هي معدلات التدفق؟ ما هو تصميم الجهاز؟ ما هي، ما هي معدلات التدفق؟

ما هي أحجام الدم التي يجب معالجتها، وكيف تضمن أن الخلايا التي تلتقطها هي بالفعل الخلايا التي كنت تريد التقاطها؟ شكلت كل هذه الجوانب التحدي الكامل الذي يمكن تلخيصه في جملة واحدة، وهي: كيف يمكنك التقاط هذه الخلية النادرة الواحدة من بين مليارات الخلايا الأخرى؟ لذا فهي حقاً مشكلة تشبه البحث عن إبرة في كومة قش، وهو أمر مثير.

وأعتقد أن تطوير هذه التقنيات لمعالجة هذه المشكلات هو التحدي التكنولوجي الحالي. فأن نتمكن من إيصالها إلى مستوى تؤدي فيه المهمة المنوطة بها هو أمر، أما نقلها إلى العيادة وتحويلها إلى منتج فيتطلب خبرات مختلفة تماماً، مثل القدرة على تأسيس شركة، والقدرة على تسجيل براءات اختراع لهذه الابتكارات، وكل تلك الجوانب الأخرى التي تدخل في هذا السياق.

وأعتقد أننا كعلماء لا نمتلك في الأساس جميع تلك المهارات التي تحول المنتجات من مرحلة التصميم المكتبي إلى منتجات فعلية. ومن هنا تبرز مجدداً أهمية التعاون مع أشخاص من خلفيات مختلفة. وهناك العديد من التقنيات المتاحة التي أعتقد أنها يمكن أن تكون ذات تأثير كبير ومفيدة للغاية.

أحياناً لا تصل هذه التقنيات إلى العيادات أو لا يتم استخدامها من قبل البشر، إما لأن الأمر ببساطة لم يحدث، أو لأن الوقت لم يكن مناسباً، أو لظهور تأثيرات أخرى من تلك التي تحدثت عنها للتو. أو أحياناً لا يكون هناك رابط مباشر يوضح أن هذه التقنية قادرة بالفعل على حل تلك المشكلة. كما أن الأشخاص الذين يتعاملون مع المشكلة، ولنقل علماء الأحياء أو المتخصصين في الطب، قد اعتادوا القيام بذلك بطريقة معينة لسنوات طويلة.

أما الأشخاص في الجانب التقني، في الغالب إذا لم يكن تركيزهم منصباً على التكنولوجيا الحيوية، فهم ليسوا على دراية بالمشكلات الموجودة في الطب. لذا، فإن الجمع بين هذين الجانبين يمثل بحثاً متعدد التخصصات بجدية. وأعتقد أنه في السنوات الماضية، كان التركيز بأكمله، سواء على مستوى NIH أو ما نراه في المختبرات البحثية والجامعات، منصباً على توليد أبحاث متعددة التخصصات.

لذا ينتهي الأمر بالأشخاص بالحصول على درجات الدكتوراه حيث يتعين عليهم الإلمام بمجالات متعددة. على سبيل المثال، بالنسبة لدرجتي في الدكتوراه، كان عليّ معرفة الصوتيات، وأنظمة MEMS، والموائع الدقيقة، وكان عليّ تطبيق ذلك على البوليمرات. لذا ترى الآن نوعاً من العمق المعرفي الشديد في مجال واحد، بينما كان عليك في الواقع الإلمام بثلاثة مجالات أخرى بشكل جيد لتتمكن من حل تلك المشكلة.

لذا أعتقد أن الإجابة تكمن في البحوث متعددة التخصصات المقترنة بأشخاص يمتلكون مهارات تجارية لجعلها متاحة لاستخدام الناس، فهي عملية كبيرة وشاملة وهناك بعض أوجه القصور التي تظهر في مواقع معينة، وهذا ما يؤدي إلى انخفاض نسبة نقل التكنولوجيا.