وتظل زراعة الخلايا خارج بيئتها الطبيعية تقنية أساسية في البحوث الطبية الأحيائية، وتطوير المخدرات، والطب الإبداعي، بينما كانت أساليب الثقافة الخلوية التقليدية مفيدة للغاية، وهي في كثير من الأحيان تقلل من تكرار الخلايا الفيزيائية الفيزيائية المعقدة التي كانت تجربة في الأنسجة الحية.

وعلى مدى العقدين الماضيين، تقاربت أوجه التقدم في مجال التكاثر والتوليف النانوي والتصميم البيولوجي لإنتاج منابر ثقافية خلوية ذات دقة غير مسبوقة، وهذه البرامج تمكن العلماء من دراسة عمليات خلوية أساسية مثل التخمين والهجرة والتفريق والإشارات ذات الصبغة العالية، كما أنها تعجل بوضع نماذج للثقافة المسببة للأنسجة من أجل نقل الكائنات الحية، وهي أكثر قابلية للتنبؤ بها.

Understanding Nanotechnology in the Context of Cell Culture

وتشير التكنولوجيا النانوية إلى تصميم ووصف وإنتاج وتطبيق الهياكل والأجهزة والنظم عن طريق التحكم في شكلها وحجمها على نطاق النانومترات - حيث تراوحت بين 1 و 100 مقياس، وتظهر المواد في كثير من الأحيان خصائص فريدة من نوعها من التصورات والكهرباء والمغنطية والميكانيكية تختلف عن نظيراتها في السوائب، أما بالنسبة لثقافة الخلايا، فيمكن تسخير هذه الخواص البحرية لخلق سمات متماثلة مع مكونات الخلايا الميكانيكية.

وتشمل المواد النانوية الرئيسية المستخدمة في الثقافة الخلوية النانووبات الكربونية، والغرافينيا ومشتقاتها، وجسيمات النانوب الذهبية، والنبائط الكمية، والنانوفبير المتعددة، والثدييات غير العضوية، وكل مادة من هذه المواد توفر مزايا متميزة، فعلى سبيل المثال، توفر النيتروزات العالية السلوكية الكهربائية والقوة الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة للتشكيلات.

المصفوفة المُعدَّلة بالبراميل المُعدَّة كمقياسيّات المُستقطعة

ومن أكثر التطبيقات تأثيراً في مجال علم النانوتشي في الثقافة الخلوية تطوير المكشوفات المهيكلة بالنانو، وهذه الهياكل الثلاثة الأبعاد (ثلاثة دال) مصممة لتحل محل النظم التقليدية لتعددية الأبعاد (D) أو تعددية الألياف المفردة التي تهيمن على معظم المختبرات، ويمكن اختلاقها من البوليمرات الطبيعية (الكولين، أو الألياف، أو المبدنة)

Electrospun Nanofiber Scaffolds

إن الكم الهائل من الكمائن هو تقنية تستخدم على نطاق واسع لإنتاج نانوفبيرات مستمرة مع مسامير تتراوح بين عشرات المقاييس النانوية وعدة ميكرومات، مما يؤدي إلى تقلص هيكل الألياف في البيوت الأم، ومن خلال تعديل البارامترات مثل تركيز البوليمر، والفولط، ومسافات التحصيل، ومقياس الألياف، والمواءمة، يمكن التحكم في الاتجاهات النانوية المتوازية.

وبالإضافة إلى المواءمة بين الألياف، يمكن أن تشمل المكشوفات الكهربائية الكهربية جزيئات ناشطة أحيائياً، كما أن عوامل النمو مثل عامل النمو في الأوعية الدموية أو بروتينات متجانسة العظام يمكن أن تُستجمع ضمن الألياف اللازمة للإطلاق المستمر، مما يؤدي إلى تحسين عوامل النمو الميكانيكي أو النسيج، بالإضافة إلى ذلك، إحداث تغيير سطحي في الخلايا التي تحتوي على بروتينات الإيكتين (ECMbaxgenins)

بيبتيد هيدروغلز

وهناك طبقة أخرى من المكشوفات النانوية، وهي من أنواع البذور المحتوية على الترسبات ذاتياً، وهذه التسلسلات القصيرة من البلازميدات التي تشكل تلقائياً من الجيل المائي تحت ظروف فيزيولوجية، وتحتوي الخلايا الهيدروجينية الناتجة على مواهب ناوية تتيح نشر المغذيات والأكسجين والنفايات، مع توفير بيئة ثلاثية الأبعاد تُعدّل بشكل وثيق تركيبة كيميائية.

نانوماتيات مأخوذة من الكربون في سكافول

وقد اجتذبت المواد النانوية الكربونية، ولا سيما الغرافيني ونانووب الكربون، اهتماماً لقدرتها على تعزيز المكشوفات وبث الوصل الكهربائي، فبالنسبة للخلايا القابلة للاختراق التي تعتمد على الإشارة الكهربائية، يمكن أن توفر المحاكاة الجيلية لتعزيز النضج والتكامل الوظيفي، مثلاً، ثبت أن الأوكسيجين المدمج في الأفران المتعددة المقاييس قد زاد بشكل كبير من حدة الارتداد.

سطح نانوباتر للمراقبة المكانية لخلية بيهافيور

وفي حين أن مساحات ثلاثية الأبعاد توفر بيئة أكثر فسيولوجية، فإن مساحات الأشعة المتناثرة بمقياس 2D لا تزال هامة لدراسة تأثير الطبوغرافية على وظيفة الخلايا، وباستخدام تقنيات مثل الليثيوم الكهربي، ورسم الليثيوم البصمات، وضبط النفس في البوليمر، وضبط نمط التدخل الليزري، يمكن للباحثين أن يخلقوا سطحا ذات خصائص بحرية محددة بدقة، بما في ذلك الحفر والأر والأركان والرموز.

تشكيلة الاتصال بالداخ والمنسّق

وتتم عملية التقاء هذه إلى طبقة فرعية من خلال تركيبها الملزمة للألياف المحتوية على مقياس للجرع، التي تتجمع في مواضع الوصل، وتؤثر المباعدة بين هذه المواقع في المنطقة النانوية تأثيراً حاسماً على استقرار الارتداد والإشارات في المجرى، وقد تبين من الدراسات أن الباحثين في مجال نزع السلاح على نحو غير منتظم، الذين يوزعون على نحو غير مسمى، قد تشكل خلايا ثابتة.

توجيه الاتصال ومواءمة الخلايا

وقد كانت النانغروفات والمناورات فعالة في مواءمة الخلايا من خلال توجيه الاتصال، وكانت البارود والعمق والفصل بين الشعاب تؤثر على درجة المواءمة، فعلى سبيل المثال، كانت الألياف المصممة على السطح مع الزهريات ذات الصبغة النانوية 500 نانو متر و500 نانو متر عميق متماسكة على طول اتجاه الشعاب، بينما كانت الخلايا على الأنسجة الزراعية الأوسع نطاقاً أقل اتساقاً.

رسوم مهندسة لتمييز خلية ستيم

ويمكن أيضاً أن يُوجِّه التخصيب إلى مصير الخلايا الجذعية دون الحاجة إلى عوامل التفريق المُسببة للذوبان، فعلى سبيل المثال، تُظَم خلايا الجذعية البشرية على صفائف النانوبيار ذات ارتفاع محدد والمباعدة بين الزمن والاختلاف بين خلايا التذبذبذب والزنوجات المشابهة في الخلايا العصبية.

ناموسين لرصد الزمن الحقيقي لثقافة الخلايا

وتعتمد الثقافة الخلوية التقليدية على أخذ العينات الدورية والتحليلات الخارجية لرصد الهيدروجيني والبلوكوس واللدكتات والأكسجين المذوب وغير ذلك من البارامترات، ولا يوفر هذا النهج سوى بيانات سريعة ويمكن أن يفوت الأحداث العابرة، إذ تتيح أجهزة الاستشعار المدمجة في سفن الثقافة الرصد المستمر وغير الغاشم، وتوفر مجموعات بيانات أكثر ثراء، وتتيح مراقبة التغذية المرتدة لظروف الثقافة.

أجهزة استشعار الفلورسنت

كما أن النقاط الكمية (الأرقام) هي خامات نانوكريسات شبه موصلات تبعث على الفلور المشرق والمستقر مع تغيرات موجة الانبعاثات التي لا يمكن قياسها، وقد قام الباحثون بصنع أجهزة استشعارية للهيدروجين، وأجهزة استنشاق بروتينية محددة، مثل أجهزة الأشعة الكهرمائية التي تُبث مع تغيرات في الإجهاد التراكمي التراكمي للدم.

نانووير وننوب

ويمكن لمترجمات المبيدات المؤثرة في الميدان التي تستند إلى نانوويات السيليكون أو نانووب الكربون أن تكتشف تغيرات دقيقة في الشحن أو القدرة، مما يجعلها حساسة للغاية للأحداث الملزمة على سطح جهاز الاستشعار، وعندما تعمل بأجهزة مضادة أو أجهزة استنشاق، يمكن لهذه الأجهزة أن تكشف عن النسيج أو عوامل النمو أو غير ذلك من الجزيئات المغلقة عند تركيزات الثقافية المصغرة.

الاندماج في المفاعلات الحيوية

وفي مجال صناعة المواد الكيميائية ذات النطاق الكبير، تم استخدام المفاعلات الأحيائية في صناعة الأدوية الحيوية (مثل إنتاج الأجسام المضادة للفيروسات الاحتكارية أو أجهزة الناقلات الفيروسية)، مما أدى إلى تهيئة الظروف المثلى للحصول على غلة ولنوعية المنتجات، ويمكن إدماج أجهزة الاستشعار النانوية في نظم التفكك لتوفير الرصد المستمر ومراقبة التغذية، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار التي تستخدم في أجهزة التكاثر الفلورية القريبة من الشارات تُعدّ في مجال الاختراق الأحيائي.

التطورات الأخيرة في منابر الثقافة في خلية نانشنولوجيا - دريفن

ولا تزال وتيرة الابتكار في هذا المجال تتسارع، إذ إن العديد من التطورات الأخيرة تبرز إمكاناتها في تغيير ممارسات ثقافة الخلايا.

3D Bioprinting with Nanomaterials

3D bioprinting enables construction of complex tissue structures by depositing cell-laden bioinks layer by layer and the incorporation of nanomaterials into bioinks enhances natureability and post-printing function. For instance, added cellulose nanocrystals to alginate-based bioinks improves shear-thinning behavior andميكانيكي integrity after crosslinking.

نظم التصويب على أساس عضوي

(ب) تحسين مستوى أجهزة أجهزة أجهزة النانو الفلورية الصغيرة ذات الأجهزة العضوية على مستوى العضو في النظم المصغرة، حيث يؤدي علم النانو إلى تحسين هذه الأجهزة بتوفير وصلات بينية أفضل بين الخلايا والرقاقة، مثلاً، يمكن للأغشية النانوية أن تحل محل الحواجز الصلبة التي تسمح بإشارات المظلات بين أنواع الخلايا المشتركة في مجال الزراعة مع الحفاظ على الفصل المادي.

التكتلات التجاوبية الذكية

وتستخدم المواد النانوية المستجيبة للحوافز لخلق أسطح ومعاطف ذكية تغير الخواص استجابة للعوامل الخارجية مثل الحرارة، أو الهيدروجين، أو الضوء، أو نشاط الانزيم، مثلاً، فإن كدمات متعددة (N-isopropylacrylamide) (N-isoprate) التي تُستَنَفَع على السطح من عوامل الإنتاج الهيدروفلورية إلى عوامل خام في درجة الحرارة فوق 32 درجة حرارة

خلية ستيم تفريق في المناطق الفرعية النانوية

ويظل التمييز الجذعي يمثل تحدياً رئيسياً في الطب الإبداعي، ويظهر العمل الذي تم مؤخراً أن الجمع بين علم النانو والكيماويات الأحيائية يمكن أن يحسن كفاءة وخصوصية التفريق، فعلى سبيل المثال، فإن الخلايا الجذعية المغمورة التي تُزرع على أسطح الجسيمات الغرافينية ذات الصبغة النانوية تظهر تمييزاً معززاً في الظواهر العصبية المغناطيسية مقارنة بالنسيج البلاستيكي المغنطيفي.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وفي المستقبل، بدأ يظهر العديد من الاتجاهات الواعدة، إذ يمكن لتكامل علم النانوات مع الاستخبارات الاصطناعية والتعلم الآلاتي أن يعجل بتصميم الطوابع والمجسات المثلى، ويمكن أن تولد منابر فحص عالية المخرجات تستخدم صفائف مبعثرة من الأنونوبات مجموعات بيانات كبيرة تربط بين البرامترات الطبوغرافية والكيميائية وبين استجابات الخلايا، التي يمكن استخدامها بعد ذلك لتدريب النماذج التي تنبأ بالظروف الثقافية المثلى.

كما أن البيئات الثقافية الخلوية الشخصية موجودة في الأفق، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تُزرع الخلايا الجذعية التي يسببها المريض على أساس البوليسترات على شكل مائلات تُذكر تركيبة الفرد في الكيماوي، باستخدام علم النانواتو إلى التكييف، والكثافة، ومعدل التحلل، ويمكن لهذه البرامج الشخصية أن تحسن دقة فحص المخدرات وأن تمكن من الحصول على نسيج خاص بالمريض.

ورغم هذه التطورات، لا تزال هناك تحديات، إذ أن قابلية تقنيات النانين الصنع تشكل عقبة رئيسية؛ فالطرق مثل الليثيوم الكهربي بطيئة للغاية بالنسبة للإنتاج الجماعي، إذ إن السلامة الطويلة الأجل والآثار البيئية للمواد النانوية المستخدمة في الثقافة الخلوية يجب تقييمها تقييماً شاملاً، لا سيما إذا كانت الخلايا مقصودة لعملية زرع الأعضاء، ومن الضروري توحيد أساليب التخصيص ووضع معايير مرجعية في المختبرات لضمان إعادة إنتاج الموارد، علاوة على ذلك.

ولا تزال الطرق التنظيمية لمنتجات العلاج الخلوي التي توضع باستخدام منابر النانوية آخذة في التطور، وسيكون التعاون الوثيق بين علماء المواد وعلماء الأحياء والمنظمين ضرورياً لإثارة هذه المسائل، ولا يزال مجال الثقافة الخلوية التي يمكن أن تكون نانوات صغيراً نسبياً، ولا يزال العديد من الاكتشافات التي تم التوصل إليها في المختبرات الأكاديمية يتعين أن تترجم إلى منتجات تجارية أو ممارسة سريرية.

خاتمة

إن زيادة التكوين النانوي توفر مجموعة أدوات قوية لبناء بيئات ثقافية خلية تستنسخ بشكل أكثر صدقاً النسيج الخلوي، ومن خلال دراسة النانو الهيكلية المتشابكة التي تُعدّ متغيراً للأسطح المتناثرة التي تتحكم في التسخين والتفريق، ومن أجهزة الاستشعار التي ترصد التهاب الكبد في الوقت الحقيقي إلى أساليب التغليف الذكية التي تُظهر