Table of Contents
مقدمة: أزمة اختصار الجهاز
وينتظر مئات الآلاف من الناس في جميع أنحاء العالم عمليات زرع الأعضاء المنقذة للحياة، وتستمر الفجوة بين عدد الأجهزة المانحة المتاحة وعدد المرضى في قوائم الانتظار في الاتساع، ووفقاً لـ U.S. Hy Resources and Services Administration ، فإن أكثر من 000 100 شخص هم حالياً في قائمة الانتظار الوطنية التي تُعدُّ أجساماً، ويُعيدون ما يقرب من 17 شخصاً يموتون في كل يوم.
ما هي الأجهزة الحيوية الهجينة؟
فالجهاز الهجيني الحيوي هو جهاز غير قابل للزراعة أو خارج الجسم يدمج المواد غير الحية (البوليميرات والفلزات والرموز الإلكترونية) مع خلايا أو أنسجة حية لتكرار شكل ووظيفة عضو طبيعي، بخلاف الأجهزة الميكانيكية البحتة (مثل القلوب الاصطناعية) أو النسيج البيولوجي البحت الذي يتكون من بنيات، فإن الهجائن تُسّب أفضل
تحديد النهج الهجين
ويشير مصطلح " الهجين " في هذا السياق إلى الجمع المتعمد والدقيق بين العناصر الاصطناعية والبيولوجية على نطاق مجهري أو نانوي، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يستخدم نظام الاختناق الأحيائي جهازاً مغنطاً بالنسيليكون (Silicon nanopore membrane) كجهاز تصفية مرتفع، مزود بخلاياً بالوبلازما الخلية التي تغذيتها وتنظم التوازن الكهلي.
السياق التاريخي والتطوير
وقد أدى مفهوم الأجهزة الهجينة إلى تجارب متطورة في النسيج المبكر من السبعينات والثمانينات، حيث قام الباحثون أولاً بتجميع البوليميرات الاصطناعية مع خلايا الجلد الحي، ومنذ ذلك الحين، أدى التقدم في علوم المواد، وعلم الخلايا الجذعية، والتكاثر الجذري إلى تباطؤ التقدم، وخلق البصمات الكهرومائية القابلة للاختراق، و3
العناصر الرئيسية للأجهزة الحيوية الهجينة
إن فهم لبنات البناء لهذه الأجهزة أمر أساسي لتقدير إمكاناتها والتحديات التي تواجهها، ويجب إدماج الفئتين الرئيسيتين - المكونات الاصطناعية والعناصر البيولوجية - بعناية لخلق كامل وظيفي.
المكونات الاصطناعية: Scaffolds, Membranes, and Sensors
ويمكن أن يؤدي الجزء التركيبي من الجهاز الهجين أدوارا متعددة، أولا، يقدم الدعم الهيكلي، ويمكن أن تُعدل الخلايا ذات الصلة بالهيدروجينات ذات الصلبة الأحيائية (مثلا، الحامض النووي المتعدد الأطراف) أو المواد غير القابلة للتحلل (مثل المضاربة أو البوليكيريثين) أو الضغط الأحيائي
المكونات البيولوجية: الخلايا، والأدوية، والعقيدات
The biological element is the function heart of the hybrid organ. depending on the target organ, different cell types are used: hepatocytes (liver), renal tubular cells (kidney), pancreatic beta cells (pancreas), or cardiomyocytes (heart).
التكامل والترابط
ويحدّد الوصل بين المكونات الاصطناعية والبيولوجيا الأداء العام، إذ أن التعديلات السطحية، مثل طلاءات المصفوفات المحتوية على بروتينات من المصفوفة الاستحلارية (الكولجين، واللامين) أو البذور الاصطناعية (تسلسلات الديوكسينات)، تعزز الوصل الخلوي والسلوك المرشد، أما بالنسبة للمكونات الإلكترونية، فلا بد أن تكون التفاعلية قابلة للموازنة البيولوجية ومستقرة مع مرور الزمن؛ وتنظمة النهائية للوصلات الهيدروجينة الإلكترونية المرنة.
الفوائد المحتملة على النهج التقليدية
وتتيح الأجهزة الحيوية المهجورة عدة مزايا متميزة مقارنة بالزراعة التقليدية في جميع المناطق، أو الأجهزة الميكانيكية البحتة، أو البناءات المصممة في الأنسجة البسيطة.
انخفاض عدد المصابين بالمرض وضغائن المناعة
ومن أكبر المزايا إمكانية التخفيف من الرفض المناعي، لأن الجهاز يمكن أن يُوضع في حمض نصفي يمكن أن يحجب الخلايا المناعية والأجسام المضادة، فإن العنصر البيولوجي (وبخاصة إذا كان مستمدا من خلايا المريض) قد يتطلب الحد الأدنى أو لا من الاكتئاب، وحتى عندما تستخدم الخلايا البلاستيكية أو الكسجينية، فإن نوعية السرطان توفر بيئة محمية.
تعزيز الأداء والتنظيم الذاتي
ولا يمكن للأجهزة الآلية أن تستنسخ الاستجابات المعقدة والمتكيفة للأنسجة الحية، فعلى سبيل المثال، لا يمكن لمضخة الأنسولين الميكانيكية أن تُحسّن وتستجيب لوجبة مع إطلاق الإنسولين بتوقيت محدد، وبُعدة مراحل، كما أن الخلايا التراكمية الحيوية التي تحتوي على البيتا الحية يمكن أن تُطلق الأنسولين بطريقة تعتمد على الغلوكوزين، بما في ذلك الاستجابات ذات الصبغة الأولى والنقطة الثانية.
طول العمر وطول المدة
ويمكن تصميم المواد الاصطناعية لمقاومة التدهور والإجهاد وتشكيل المسابر الحيوية، مما قد يعطي الجهاز فترة طويلة من العمر في الجسم، وفي الوقت نفسه يمكن للعنصر البيولوجي أن يعيد إلى حد ما )مثلا، يمكن أن تنتشر الخلايا الوبائية، ويمكن تجديد الخلايا السائلة الجذعية( وبالتالي فإن الجهاز الهجين المصمم جيدا يمكن أن يمتد باستمرار إلى حد ما من خطوط العطاء التقليدية.
القابلية للتقسيم والتوافر
ونظراً لأن المكونات الاصطناعية يمكن صنعها على نطاق واسع باستخدام العمليات الصناعية (اللفائف بالحقن، والطباعة 3D، وتركيب النمبرة المتدفقة)، يمكن نظرياً إنتاج الأجهزة الهجينة بناء على الطلب، ويمكن أيضاً إنتاج المكونات البيولوجية، لا سيما إذا كانت مستمدة من خط محسن المعالجة بالمبيدات الحشرية، مما يؤدي إلى تحرير المرضى من الاعتماد على تكاليف الرعاية الصحية لدى الجهات المانحة، وقد يؤدي إلى تقليص فترات الانتظار بشكل كبير.
التحديات الراهنة ومصانع الحد من الانبعاثات
وعلى الرغم من الرؤية المقنعة، يجب التغلب على العديد من التحديات الهائلة قبل أن تصبح الأجهزة الهيدروجينية ذات الطابع الإكلينيكي حقيقة سريرية.
التنافر البيولوجي والتلويث
وأي مواد أجنبية تزرع في الجسم تحفز استجابة من جانب شخص أجنبي، ويمكن بمرور الوقت أن تصبح الأسطح الاصطناعية مكدسة في أنسجة الألياف، مما يعوق النقل الجماعي ويعرض بقاء الخلايا للخطر، بل إن المواد القابلة للتنافس البيولوجي ترتفع إلى درجة ما من التهاب الأشعة، ويقوم الباحثون بتطوير المعاطف المانعة للتفاعل (مثلاً، البوليميرات الفوقية، الدراسات التكاثرية،
حقن وتحمل
وعلى الرغم من أن الكيمبراين شبه القابل للاشتعال يمكن أن يحجب خلايا مناعة كبيرة، فإن الجزيئات الأصغر مثل السطو والبروتينات المكملة لا تزال قادرة على تجاوز الحاجز، وعلاوة على ذلك، فإن المضادات القابلة للذوبان التي يلقيها العنصر البيولوجي قد تُحسس نظام المناعة، إذ أن تحقيق التسامح الطويل الأجل دون التعرض للاختلال النظامي لا يزال يشكل عقبة رئيسية.
التعميم والإمداد بالمغذيات
وتحتاج الأنسجة الثلاثة إلى شبكة كابيّة لتزود الأكسجين والمغذيات بالخلايا بأكثر من 200 ميكروم من مصدر الدم، وبدون خلايا تعمل، فإن الخلايا في مركز البناء الهجيني ستتوفى، وتشمل النهج الحالية تعميم العينات عن طريق خلايا ثابتة ذات أبعاد مائية، تشمل عوامل النمو المسببة للاختلالات (FGF, FF).
إدماج الإلكترونيات والنسخ البيولوجية
ويطرح جهاز استشعارات وملجئات متحركة تحديات إضافية في مجال التفاعل، ويجب أن تكون المكونات الإلكترونية مختومة بدقة لمنع التآكل وأجهزة السير القصيرة، ومع ذلك، لا تزال الإشارات الفيزيولوجية ذات الصبغة العالية، وتضيف إمدادات الطاقة (غير قابلة للضرب) قضايا تدفئة كبيرة ومحتملة، وعلاوة على ذلك، يجب على الإلكترونيات المتطورة أن تتصل بالمعدات الخارجية أو جهاز مراقبة داخلي دون أن تُسبب تدخلاً أو أن تُرفض.
الصناعة التحويلية والتنظيمية
إن الجمع بين خلايا المعيشة والمواد الاصطناعية بطريقة معقمة ومنتجة وفعالة من حيث التكلفة هو تحد من الصناعات التحويلية، وقد يحتاج كل مريض إلى قياس جغرافي ذي طابع شخصي (على أساس التصوير)، ويجب أن يتم اتخاذ خطوة في مجال البحث الخلوي في إطار شروط حسنة من ممارسات التصنيع، ولم تضع الوكالات التنظيمية مثل الهيئة مسارات واضحة لمنتجات الاختبار تشمل أدوية، كما أن هذه الوسائل لم تُعد بعد.
الأمثلة الواعدة والتوجيهات البحثية
وقد بلغت عدة أجهزة هجينة نموذجية مراحل متقدمة من مراحل ما قبل العلاج، وقد دخل عدد قليل منها في التجارب السريرية المبكرة، وفيما يلي أمثلة تمثيلية.
أجهزة الكبد الأحيائي
Acute liverpar mortality rate, and donor livers are scarce. Hybrid bioartificial liver support systems, such as the HepaWorks or
Bioartificial Kidney
The Kidney Project, led by researchers at the University of California, San Francisco, is developing an implantable bioartificial College that combines a hemofilter (silicon nanopore membrane) with a bioreactor containing renal tubular cells. The tool uses the body’s blood pressure to drive filtration without a pump
Pancreas
وتتوفر في هذه الخلايا الميكانيكية الجديدة من حيث التجهيزات على أساس الكبريت، وهي تحتوي على خلايا مصغرة ذات أهداف متعددة، وهي تحتوي على خلايا متطورة ذات أهداف متعددة، وتنمو إلى خلايا إنتاجية غير قابلة للتأثر بعد زرعها.
أجهزة القلب وأجهزة المساعدة القلبية
فبالنسبة لفشل القلب، تقوم رقائق القلب الهجينة بتسليم أجهزة القلب ذات الصلصة المضغوطة، كما أن الخلايا التي تستخدمها الخلايا الداعمة على شكل مقطع متصلب، وتعطي هذه المساندة الاصطناعية دعما آليا للقلب المتضرر، بينما تؤدي عوامل الباراكرين التي تم اختبارها، وفي بعض التصميمات، إلى وجود ثنائي كهربائي مع القلب المضيف لتحسين التناغم.
الاتجاهات المستقبلية وتكنولوجيات الإنجاز
ويسير هذا المجال بسرعة، وتتعهد عدة تكنولوجيات ناشئة بالتعجيل بتطوير الأجهزة الحيوية المختلطة واعتمادها على نحو سريري.
3D Bioprinting and Precision Manufacturing
ويتيح الطباعة الأحيائية للطباعة المتزامنة للأنواع الخلوية المتعددة، وعوامل النمو، والمواد ذات العينات المتشابكة في الهندسة المطاطية الدقيقة، ويمكن لهذه التكنولوجيا أن تنتج هياكل عضوية خاصة بمريضين ذات قنوات مناظير مبنية في الأزياء، بل يمكن للطباعة المتقدمة أن تطبع ب " الندوب " تحتوي على خلايا حية وبوليمرات قابلة للتداخل، مما يخلق هياكل ذات طبيعة دقيقة تُعدّة من تصميمات الأنس الأنسيجية.
Stem Cell Engineering and Organoids
ويمكن التمييز بين الخلايا الجذعية التي تحفز على التكاثر إلى أي نوع تقريباً من أنواع الخلايا، وبالاقتران مع تحرير الجينات المستند إلى نظام CRISPR، يمكن الآن إنشاء خلايا تكون أكثر قابلية للتحلل (مثلاً، بضرب جينات الدرجة الأولى والثانية من الهالكتين أو التعبير عن البروتينات المناعية).
المواد الذكية والنظم الاستجابة
ويمكن أن تُدمج في الأجهزة الهجينة عدة مثقفات، هيدروغلات تغير الممتلكات استجابة للحامض أو الحرارة، ومواد التسخين الذاتي، مثلاً، يمكن ربط مثانة ذاتية بيولوجية بجهاز هدرجيل يوسع ويعقد عقوداً لتنظيم الضغط، وقد يؤدي الجمع بين المواد الذكية والمجسِّسات المحتوية على سمات مدمجة إلى حد كبير إلى التحكم في " اللوحة " .
الترجمة السريرية والنظر في المسائل الأخلاقية
ونظرا لأن الأجهزة الهجينة قريبة من الواقع السريري، فإن المسائل الأخلاقية تنشأ فيما يتعلق بالوصول إلى الخدمات والتكاليف وتعريف " الطبيعة " مقابل " شهادة " هل ستكون هذه الأجهزة ميسورة التكلفة لجميع المرضى؟ وكيف ينبغي تغطية هذه الأجهزة بالتأمين؟ وما هي المخاطر الطويلة الأجل التي تنطوي عليها زراعة الخلايا الحية والإلكترونيات بشكل دائم؟ وبدأت الهيئات التنظيمية في وضع مبادئ توجيهية للمنتجات المركبة، وسيحتاج المعتمدون المبكرون إلى رفع مستوى الموافقة المستنيرة وما بعد السوق.
خاتمة
وتمثل الأجهزة الحيوية المختلطة تحولاً في النموذج في الطب الإبداعي، فبإدماج المواد الاصطناعية بخلايا المعيشة، يمكن لهذه الأجهزة أن تكرّر الوظائف المعقدة والمتكيفة للأجهزة الطبيعية، مع توفير القدرة على التكدس، والقدرة على الاستمرار، وتقليل الاعتماد على أنسجة المانحين، وعلى الرغم من التحديات التي تواجه القدرة على المنافسة البيولوجية، والتسامح من غير المحصّن، والتعريف، وعلم الإبداعي، والتقدم المستمر.