تطوير مادة الدماغ المثقفة لنموذجات الأمراض التكاثرية

وقد أتاحت التطورات الأخيرة في مجال هندسة الأنسجة فرصا جديدة لدراسة الأمراض العصبية التي تؤثر على الملايين في العالم والتي لا توجد بشأنها سوى معالجة فعالة قليلة، ومن بين أكثر المجالات واعدة وضع نماذج للأنسجة المخية المثقفة التي تخفف من البيئة المعقدة للأدمغة البشرية، وتدمج هذه النماذج شبكات الدم الوظيفية التي بها خلايا عصبية، وتعيد تجميع الجوانب الرئيسية لعلم الفيزياء التي لا تزال تتطور فيها الثقافات التقليدية ذات النزعة الدموية، وتشتمل على الجيل العضوين.

أهمية التعميم في نماذج الدماغ

وتشير التعميمات إلى تشكيل شبكات للدم داخل الأنسجة، وفي الدماغ، فإن سفن الدم هي ذات أهمية حاسمة في إيصال الأكسجين والمغذيات، وإزالة النفايات، والحفاظ على حاجز الدم - الدماغ، دون التعلّم السليم، ولا يمكن أن تُحدث الأنسجة المصممة للدم بصورة كاملة الظروف الفيزيائية للدم البشري، ويستهلك نحو 20 في المائة من الأكسجين الرئوي رغم أن هذه المادة لا تمثل سوى 2 في المائة من الكتلة.

وفي الأمراض التي تولدها الأعصاب مثل مرض الزهايمر، ومرض باركينسون، وداء الرئوي الرئوي، والاختلال الرئوي الذي يُعتبر عاملاً مبكِّراً ومساهماً، مثلاً، لا يمكن أن يؤدي إلى حدوث انخفاض في الاضطرابات العقلية، كما أن انهيار البولي البروم ثنائي الفينيل التجاري يسمح بدخول نماذج النسيج العصبي.

التحديات في تطوير مادة الدماغ المثقفة

ويشكل إنشاء أنسجة دماغية مثقفة في المختبر عدة تحديات هائلة، ويستلزم التغلب على هذه العقبات اتباع نهج مبتكرة في الهندسة البيولوجية، وعلم الأحياء الخلوية، وعلم المواد.

Integrating blood Vessel Networks with Neural Tissue

ولا تقتصر المكوّنات الوعائية والعرقية المتعاقبة على الخلط بين أنواع الخلايا، بل يجب تنظيم مقصورتين من الأنسجة بثلاثة أبعاد لها علاقات مكانية مناسبة، إذ يتعين على الخلايا المثبطة أن تشكل أنبوبا مخصّصة محاطة بالبقع والأبقار السفلية، في حين أن الأعصاب والصور الفلكية والميكروجيا تشغل حيزاً للدم.

ضمان الاستقرار والوظيفة في الإرث

وحتى عندما تشكل سفن الدم، فإنها قد لا تظل مستقرة بمرور الوقت، ويمكن أن تتفكك الخلايا المهددة بالدماء، ويمكن للسفن أن تتراجع، كما أن نوع بي بي بي بي بي بي بي قد يضيع، ويجب أن يكون المستودع المصمم قابلاً للتشبث بدعم تدفق بديل للدم ليوصل الأكسجين والمغذيات في جميع أنحاء البناء، وبدون تدفق، فإن السفن تنهار وتعاني من استقرار الإجهاد المستمر.

اعادة ترتيب قابلية التحمل الانتقائية لحامل الدم - الحبوب

ولا يشكل هذا التراكم في شكل حاجز مادي فحسب، بل هو واجهة شديدة التنظيم مع الناقلين المتخصصين ومضخات التدفق والربط الدقيق، كما أن إنتاج هذه الملامح في نموذج مهندس أمر صعب، كما أن تربية الخلايا التي تولدها الخلايا الفلكية والتي لها فضاءات واقية يمكن أن تحفز بعض الخواص الحاجزية، بل تحقق مقاومة كهربائية عابرة للثديين مقارنة بقيم الكائنة في عام 2000 بمؤشر BvoB

توسيع نطاق إصدار التطبيقات العملية

كما أن معظم نماذج الدماغ المثقفة الحالية هي هياكل صغيرة الحجم وحجمها مليتر، كما أن التوسع في أحجامها ذات الصلة سريريا (الزوارق) مع الحفاظ على مقومات البقاء والوظيفة يشكل عقبة رئيسية، إذ أن الأنسجة الأكبر تتطلب شبكات مناظير التسلسل الهرمي التي تفرع من السفن الأكبر إلى الأسر، مما يضعف هيكل الأعضاء الحقيقية، وبدون هذه التسلسل الهرمي، فإن جوهر قنوات البناء المتطورة سوف يصبح محفوذاذجة.

التقنيات والنهج

ويستكشف الباحثون مجموعة متنوعة من الاستراتيجيات للتغلب على هذه التحديات، ولكل نهج مواطن القوة والقيود التي يفرضها، وكثيرا ما تُجمع التقنيات المتعددة لإيجاد نماذج أكثر صلة بالفيزيولوجيا.

3D Bioprinting

3D bioprinting allows precise placement of cells and biomaterials in three dimensions. For vascularized brain models, bioinks containing neural cells (neurons, astrocytes) are printed alongside bioinks containing endothelial cells and pericytes. A common strategy is to printed sacrificial filaments (e.g., gelatin or Pluronic F127)

عوامل النمو والعقارات المسببة للمرض

ويُعد عامل النمو الرئوي المسبب للثدييات الوعائية عاملاً رئيسياً في تكوين السفن الدموية، إذ إن العديد من البروتوكولات تتضمن عوامل نمو الألياف الأساسية (الصندوق العالمي للدموع) وأجهزة الاختناق في الميثان أو وسائل الإعلام الثقافية التي تروج للظواهر المسببة للتشويش، إلا أن عوامل النمو التي يمكن أن تؤدي إلى سفن غير خاضعة للمراقبة، ويضع الباحثون نظماً للإنجاز تحت المراقبة.

أجهزة التزود بالفلور (Organ-on-a-Chip)

(ب) إنشاء برامج مصغرة ذات نطاق مجهري، تتيح السيطرة الدقيقة على الإجهاد الناجم عن الأشعة، وخريجات المغذيات، وإزالة النفايات، وفي جهاز نموذجي للتقلبات الدماغية على الأشعة، تفصل قناة مركزية مجهزة بخلايا مائية عن مقصورات مجاورة بواسطة جهاز مدمج مخروط، وتخلق النسيجات من خلال قنوات النسيج الوعية حواجز دينامية تروج أجهزة نقل متطورة

ستيم سيل للتكنولوجيا

وتُقدّم الخلايا الجذعية المُستحثة التي تُعدّها أجهزة الإيزوجين، والتي تُعدّ من خلالها خلايا التكاثر العصبية والنسيج العضوي، والتي تُعدّ في كثير من الأحيان، خلايا التكاثر الوبائي المُعدّدة للعضلات، والتي تُحدّ من الأعصاب، ويمكن تجميعها في أحجام نظيفة أو في شكلات مجمّدة.

تطبيقات في بحوث الأمراض الوليدة

وتثبت نماذج أنسجة الدماغ المذهلة قيمة كبيرة لدراسة التفاعل المعقد بين خلل الأوعية الدموية وجيل الأعصاب، وهي توفر منصة خاضعة للمراقبة وذات صلة بالبشر للدراسات الميكانيكية واختبار المخدرات التي لا يمكن تحقيقها باستخدام نماذج حيوانية أو ثقافة خلوية بسيطة.

مرض الزهايمر

وفي مرض الزهايمر، والمرض الدماغي الحساس - تراكم الخناق في جدران السفن - وهو سمة بارزة مرتبطة بانهيار سداسي البروم، وانخفاض تدفق الدم الدماغي، وتسمح النماذج المذهلة للباحثين بإعادة اكتشاف هذه الأمراض عن طريق زراعة الخلايا الاصطناعية التي تولدها الخلايا العصبية مع الاختناق العصبي.

مرض باركينسون

وتتميز أمراض باركينسون بفقدان الأعصاب الوبائية في زنزانة تحت الأرض، وتظهر هذه المنطقة منابر عالية التلقيح، وتكشف الدراسات اللاحقة للدم عن الشذوذات الوعائية مثل التحلل الرئوي وانخفاض الكثافة الكثيفة، ويمكن بناء نماذج متوسطة مثقفة بواسطة تركيب نماذج مسببة للاضطرابات العصبية التي تصيب الاضطرابات الناجمة عن الاضطرابات الناجمة عن الاضطرابات الناجمة عن الاضطرابات العصبية الناجمة عن الوبائية.

أمراض هنتنغتون

ومرض هنتنغتون ناجم عن توسع مكرر في جينات نمور تحرير تاميل إيلام، وفي حين أنه يعتبر في المقام الأول خللا عصبيا، فقد تم توثيق التغيرات الوعائية بما في ذلك زيادة القدرة على الاختبار التراكمي للدم الدماغي وانخفاض تدفق الدم الدماغي، كما أن الصيد المميت يعبر عن الخلايا الاصطناعية والخلايا العضلية مما يدل على المشاركة في الأوعية الدموية المباشرة.

اختبار المخدرات والطب الشخصي

ومن أكثر التطبيقات عملية تطوير المخدرات، إذ أن العديد من المركبات الواعدة للوقاية من الأعصاب تفشل في الاختبارات السريرية لأنها لا تعبر سداسي البروم ثنائي الفينيل أو لأنها لها آثار واعية غير مقصودة، ويمكن استخدام نماذج الدماغ المذهلة لتقييم مدى قابلية التراكم في ثنائي الفينيل متعدد البروم، وفحص السمية العصبية، وتقييم مدى تأثير المخدرات على الانقلاب العصبي.

الاتجاهات المستقبلية

ويتقدم الميدان بسرعة، ولكن الهدف النهائي لا يزال يتمثل في تطوير أنسجة دماغية صالحة للتشغيل الكامل، وتحولها إلى نسيج للطب الإبداعي، وسيؤدي العديد من المجالات الرئيسية إلى إحراز تقدم.

المواد المتقدمة والطباعة الأحيائية

وسيؤدي الجيل التالي من المهادئين المائيين والكيميائيين البيولوجيين للمصفوفة غير الخلوية إلى تحسين بقاء الخلايا وتفريقها، إذ أن المواد الحيوية التي تُطلق عوامل النمو استجابة للنشاط الانزيمي (مثلاً، المصفوفة، المزودة بمصفوفة المعادن) يمكن أن ترشد بصورة دينامية، كما أن البصمات الحيوية المتعددة التي يمكن أن تطبع هياكل هرمية وتدمج فيها

التكامل مع الفلوريكات والأجهزة الاستشعار

وستُضم نماذج المستقبل أجهزة استشعار لرصد مستويات التكتل الحراري، والهيدروجيني، والأكسجين، وسرية الكيتوكين في الوقت الحقيقي.() وستُعدِّل النظم الميكانيكية المغلقة لمركبات الفلور معدلات التدفق وتكوين المغذيات استناداً إلى تعليقات أجهزة الاستشعار، وتُبقي على الرواسب النسيجية على مدى أشهر، ويمكن أن تُعدَّل هذه المنابر " على شكل أشعة " إلى مناطق متعددة مرتبطة بأمراض متعددة.

النماذج الشخصية والمرضى

ومع تحسن تكنولوجيا البرمجيات الإلكترونية، يصبح من المعتاد أن تُستمد من كل مريض من أنسجة الدماغ المثقفة من أجل الطب الدقيق، وسيتيح الجمع بين هذه النماذج وبين تحرير الجينات تصحيح الطفرة المرتبطة بالأمراض ودراسة جينات المُحدِّدة، كما أن البنوك الأحيائية للأنسجة المُعَلَّمة من خلفيات وراثية متنوعة ستساعد الباحثين على فهم الاختلافات في مستويات السكان في التصدي للمرض والخطر.

نحو قضايا قابلة للزراعة

وبالنسبة للمرضى الذين يعانون من أضرار دماغية كبيرة بسبب السكتة الدماغية أو الأمراض التي تولدها الأعصاب، تتمثل الرؤية العلاجية النهائية في زرع الأنسجة المصممة التي تتكامل مع المستودعات، وقد أظهرت الدراسات السريرية في القوارض أن العنق العصبي المثقب قد ينجوا بشكل أفضل ويعززان الانتعاش الوظيفي، وتشمل التحديات الرفض المناعي، ومواءمة منطقة الدماغ للمريض، وتحقيق التكامل الاصطناعي في نهاية المطاف.

خاتمة

إن تطوير نماذج أنسجة الدماغ المثقفة هو مسعى معقد ولكنه أساسي للنهوض بفهمنا وعلاجنا للأمراض العصبية، ومن خلال إدماج سفن الدم الوظيفية والحاجز الدامي، فإن هذه النماذج لا تستوعب التفاعل الدينامي بين النظم العصبية والوعائية التي تعتبر أساسية للأمراض مثل جذع الزهايمر، وداء باركينسون، وجهاز هنتنغتون، وفي حين أن هناك تحديات كبيرة لا تزال قائمة من جراء تحقيق تقارب وظيفي