مقابلة : المفاعلات الحيوية والتعديل ، وظهرت السقالات 3D - لبحوث الخلايا الجذعية

اسمي كارلان وأعمل كفيزيائي حيوي في معهد الواجهات البيولوجية. نقوم في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بتطوير مفاعلات حيوية وسقالات ثلاثية الأبعاد معدلة السطح لاستزراع الأنسجة الوظيفية ولأبحاث الخلايا الجذعية، ونحن مهتمون بشكل أساسي بالتفاعل بين الخلايا وبيئتها الاصطناعية. وقد طرح افتتاحية في مجلة Nature عام 2003 سؤالاً حول "البيولوجيا المسطحة"، والسؤال هو، ماذا يُقصد بهذا المصطلح؟

في الماضي، عانت العديد من أنظمة الزراعة في المختبر، وبشكل أساسي المزارع أحادية الطبقة، من عيوب تتمثل، على سبيل المثال، في أن الخلايا الأولية المتمايزة كانت ذات عمر قصير نسبيًا وتفقد تمايزها أثناء الزراعة. وهذا يعني أنها فقدت معظم وظائفها النوعية الخاصة بالعضو بسرعة كبيرة. لذلك، ومن أجل إعادة تهيئة ظروف أفضل لهذه الخلايا في المختبر، أُجريت العديد من التعديلات والمواءمات المختلفة على المزارع أحادية الطبقة التقليدية.

ويشمل ذلك تركيب الوسط الزرعي وتجهيز طلاء أوعية الزرع التي تشكل فيها الخلايا طبقات أحادية بشكل سائد. وتشير كل هذه المنهجيات إلى أهمية التفاعلات بين الخلايا والمصفوفة، بالإضافة إلى التواصل بين الخلايا وبعضها البعض. ويبدو أن هناك جانباً هاماً آخر يتمثل في إنشاء سياقات نوعية خاصة بالخلايا، والتي تتحقق على سبيل المثال من خلال مجمعات الوصلات الفجوية، والتي تعد سمة مشتركة للعديد من الخلايا في الجسم الحي.

في مزارع الطبقة الواحدة التقليدية، يُفقد التواصل عبر الفجوات الخلوية بسرعة. لفترة طويلة، كان من الممكن استعادة ترتيب خلوي يشبه ترتيب الأنسجة في المختبر إلى حد ما باستخدام ما يسمى بتقنية الستيرويد.

أظهر مثال من مختبرنا أنه حتى الخلايا الكبدية البالغة من نوع ru قادرة على تكوين الستيرويدات والبقاء حيوية لمدة أسابيع على الأقل داخل هذه التجمعات. تظل الخلايا الكبدية في اتصال وثيق مع بعضها البعض، مما يعزز التواصل الخلوي الذي يؤدي بدوره إلى استقرار الوظائف الخاصة بالخلايا الكبدية. ومع ذلك، وجدنا أيضاً أن تقنية الزراعة ثلاثية الأبعاد التقليدية هذه تتضمن عدة عيوب.

يعد الحجم التجمعي أمراً بالغ الأهمية؛ إذ يمكن أن تؤدي أقطار التجمعات الكبيرة إلى تحريض النخر، وفي معظم الحالات، تكون نسبة حجم الوسط إلى الخلايا غير مناسبة. كما يمكن أن تشكل قوى القص ومزارع الدوارات مشكلة.

تتميز الأعضاء والأنسجة في الكائنات الحية، من بين خصائص أخرى، بكثافة خلوية عالية جداً، كما يعد النقل النشط الموجه للمواد عبر هذه الطبقات النسيجية خاصية مهمة. لذا، يجب أن تعيد نماذج الأنسجة المختبرية (in vitro) العضوية الواقعية بناء هذه البنية الطبيعية بدقة شديدة. ويعد تحديد النسبة المناسبة بين حجم الوسط وحجم الخلايا محدداً أساسياً لقيود مثل هذه الأنظمة.

لقد ذكرت سابقاً أننا صممنا مبيتًا خلويًا مناسبًا على شكل سِقالة بوليمرية ذات بنية مجهرية دقيقة، والتي توفر حاويات متساوية الحجم للزراعة ثلاثية الأبعاد للتجمعات الخلوية. وبالنسبة للسقالة البوليمرية، فإننا نفضل استخدام PMMA أو polyether أو polycarbonate. ويتكون هذا من جهاز مسطح ذو بنية مجهرية بمساحة سنتيمتر مربع واحد، والذي يوفر مصفوفة كثيفة تضم أكثر من 1000 من هذه الحاويات.

بالنسبة للزراعة ثلاثية الأبعاد لتجمعات الخلايا، فقد ثبت أنها مناسبة للزراعة الخلوية ثلاثية الأبعاد على مدار عدة أسابيع. ويبلغ طول ضلع كل من هذه الحاويات المكعبة الصغيرة في المصفوفة حوالي 300 Micrometers. كما يتميز التصميم الخاص لهذه السقالة والمحيط بها، والمقصود هنا غرفة التحضين.

يتيح وسط الإمداد ومصدر الغاز وضعيات مختلفة لتزويد الوسط. أولاً، الإرواء السطحي (superfusion)، وهو ما يعني تزويد كلا جانبي النسيج بوسط غذائي بشكل منفصل، وثانياً، الإرواء (perfusion).

وهذا يعني إجبار تدفق الوسط على اختراق طبقة النسيج. ويمكن استخدام وضع التروية لإنشاء ظروف تحاكي التوعي الدموي في الجسم الحي بشكل أفضل، بل ومن الممكن استخدام وضع مختلط يجمع بين التروية والتروية السطحية. وقد تم تطوير أجيال مختلفة من رقائق الخلايا.

يمكن استخدام كل جيل مع تصميم معين لتلبية احتياجات أي تطبيق خاص. على سبيل المثال، تم بناء تصميمات لمفاعلات حيوية ذات رقاقة واحدة أو مزدوجة، بالإضافة إلى ترتيبات متعددة العيارات قابلة للعنونة بشكل منفصل أو متغيرات عالية التوازي. وكإصدارات موسعة للجيل الأخير من هذه الأشكال المختلفة، تم تطوير تقنية معينة لما يسمى بالحاويات ذات التشكيل الحراري الدقيق، والتي توفر إمكانية إضافية لتعديل السطح الكامل لهذه الحاويات المشكلة ثلاثية الأبعاد، حيث يمكن إجراء نمذجة سطحية حتى على مقياس دون الميكرون باستخدام جزيئات إشارية.

علاوة على ذلك، يمكن دمج المستشعرات وأقطاب الإشارات. وتتراوح التطبيقات من الأبحاث الأساسية وبيولوجيا الخلية إلى علم السموم وعلم الصيدلة، وكذلك إمكانية إجراء الفحص عالي الإنتاجية. ومن النقاط الهامة جداً في النهاية حقيقة أن الجيل الأخير من شرائح التشكيل الحراري الدقيقة الخاصة بنا قد تم تحسينه للسماح بعمليات إنتاج كمي منخفضة التكلفة، وبالتالي إمكانية تطبيقها في مختبرات أخرى.