دور الديموقراطية الحيوية في تعزيز الاضطرابات العناقية في المفاعلات الأحيائية

ويمثل الاضطرابات الميكانيكية عقبة خطيرة في مجال هندسة الأنسجة والطب الإبداعي، فبدون شبكة تشغيلية تعمل على التنويم الجزئي، تُعد الأنسجة المصممة أكبر من بضع مئات من الميكرومترات من التكاثر المركزي بسبب نقص إمدادات الأكسجين والمغذيات، وقد تحول الباحثون على نحو متزايد، خلال العقد الماضي، إلى تضخم عضلي حيوي مطبق في العوامل الحيوية للتعجيل تطوير السفن الميكانيكية ناضجة.

Understanding Biophysical Stimuli and Mechanotransduction

كما أن هذه القوى ليست مجرد ضوضاء خلفية، بل هي إشارات مفيدة تنظم التعبير الجيني، وتنظيم الخلايا الميكانيكية، والتفاعلات بين الخلايا التي تُستخدم في مجال التقلبات المناخية، كما أن هذه القوى لا تكتفي بتصميم أجهزة اتصال ذات تواتر متحرك، كما أنها تشكل إشارات أساسية تنظم التعبير عن الجينات، وتنظيم الخلايا الاصطناعية، وتفاعلات الخلايا التي تُستخدم في التكسيد الميكانيكي.

ومن المهم أن الاستجابة للوباء الفيزيائي الحيوي تعتمد على الجرعة وتخص السياقات، ومن ثم فإن الضغط المنخفض على الأغطية )دون 1 دناني/سم2( يمكن أن يكون غير قابل للتأثر، في حين أن الضغط على الأغطية الشريانية الفيزيائية )١٠-٣٠ دين/سم2( يشجع على التناسق الميكانيكي النهائي، والاختبار، وسلامة الاختلاط الخفيف في الخلايا الصنع)٢(.

أنواع المنشطات البيولوجية الفيزيائية في المفاعلات الأحيائية

Shear Stress

وينشأ الإجهاد الناجم عن قوة الاحتكاك الشائكة للتدفق السوائل عبر السطح الملوث، وفي المفاعلات الأحيائية، تولد نظم التدفق الملتوية ضغطاً ضاراً يربط مباشرة الجانب الأليم من جدران السفن المصممة، ويؤثر حجمها ونمطها (التحية ضد البلساتل) تأثيراً عميقاً على بيولوجيا الخلايا الثابتة.

وقد أظهرت الدراسات التجريبية الرئيسية أن الخلايا ذات الدوافع الدهونية التي يسببها الإنسان والتي تُزرع تحت ضغط مستمر من 12 دناني/سم2 لمدة 48 ساعة تتواءم في اتجاه التدفق، وتخفض الانتشار، وتزيد إنتاج بروتينات المصفوفة المستحلبة مثل الألياف، وفي نظم تربية المكشوفات أو خلايا العضلات السلسة، تؤدي الإجهاد الناجم عن الارتداد إلى استقرار هذه المادة.

الحبوب السيكلية

وينتج عن هذا التشتت الوبائي وتهدئة جدران السفن بسبب ضغط الدم اللتاني، وفي المفاعلات البيولوجية، يُطبق هذا عادة عن طريق تشويه خلايا مرنة أو مطوية في تردد محدد وكمية، كما أن الخلايا العضلية والزجاجات المتينة هي الأهداف الرئيسية للطبقات الداكنية، ولكن الهضبة.

كما أن الإجهاد العضلي الوبائي (10 في المائة من الطول في 1 هز) يشجع على التعبير عن علامات العضلات السلسة المنقطعة مثل العمل العضلي الذي يتكون من ألفا (ألفا - SMA)، والكالبون، والسلاسل العضلية السلسة (SM-MHC) ويزيد هذا التفريق من خلال الإشارة إلى الأشعة السيبرية/الروكسيكية ويزيد من نشاط الفصيل النسيج.

الضغط الهيدروستاتي

ويمارس الضغط الهيدروستاتي قوة ضغط على جميع الخلايا داخل الأنسجة، وفي السفن الأصلية، يبلغ الضغط العابر نحو 80 إلى 120 ملليمتر من الزئبق، ويمكن للمفاعلات الأحيائية أن تمارس هذا الضغط بإغلاق الغرفة واستخدام مضخة أو متحكم ضغط من الغاز، ويزيد الضغط الهيدروستائي من تكوين السفن وتثبيتها، ويحفز الخلايا الثابتة ذات المقياس الطول على تشكيل مركب ثابت من الخلايا.

وعلى مستوى جزئي، فإن الضغط الهيدروستاني ينشط في مجال الاشارات المدمجة ويزيد من القيود على التعبير عن الكادرين المائي المزهري (في كاديرين) وفي نظم الزراعة المشتركة، يعزز الضغط التفاعلات التحللية بين الخلايا الثابتة والخلايا المموَّلة، مما يؤدي إلى تغطية أكمل وانخفاض في وعاء السفن التي تحمل علامة على الخماسي والناضج.

أثر المخيم المختلط على الاضطرابات العضلية

وفي مجال العزلة المحلية، تعاني الخلايا من إجهاد مفتعل، وإجهاد دوكسي، وضغط الهيدروستاتيك في آن واحد، وقد يؤدي المفاعلات الأحيائية التي تطبق فقط حافزا واحدا إلى نضج غير كامل، ولذلك تركزت البحوث الأخيرة على تصميمات متعددة الجوانب للمفاعلات الحيوية التي توفر قوتين أو ثلاث قوات في نفس الوقت، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تخفف أحواض الخلايا ذات التدفق المزدوج من آثار النسيج التي تظهر بصورة دورية

ويمكن تعقب عملية النضج عن طريق نقاط النهاية الوظيفية: انخفاض القدرة على اللبوم، وزيادة الضغط على الانفجار، والتعبير عن العلامات الناضجة (مثلاً، وأجهزة التكييف، وأجهزة العضلات السلسة)، والقدرة على الاستجابة للعوامل المؤثرة مثل الخليط الجليدي ونتروفور الصوديوم، كما أن السفن المسموعة تظهر أيضاً نوعاً من الفيتامينات الخماسي، مع وجود مؤشر أقل من النباتات.

إبطال الخلايا المسببة للمرض وشغلها

وفي ظل الإجهاد الأمثل للصدمات (10-20) من الديون/جيم2، تختفي الخلايا المستديمة وتوائم ألياف الإجهاد الناجم عن الفعل إلى جانب اتجاه التدفق، مما يقلل من قدرة الخلايا على التكتل ويعزز تكوين مقاطعات متمسكة ناضجة، وفي الثقافات الثابتة، تُعد الخلايا متعددة الأنواع وتُبطل فيها المقاطعات، مما يؤدي إلى ارتفاع التسرب.

تفريق خلية الماشية وإعادة تصميم المطاط

وتحتاج سفن الرجولة إلى طبقة عضلة سلسة منقطعة، وفي غياب السلالة الدورية، كثيرا ما تظل الخلايا العضلية السلسة في البنى الهندسية في حالة متطورة، تنتج مصفوفة مفرطة ومنحرفة، وتتحول السلالة إلى نوع من أنواع التصفية التعاقدية، يتسم بانتشار مخفض، وزيادة التعبير عن برواسب المنحدرات المتخلفة، وزيادة تنظيم السفن.

كما أن إعادة تصميم المطاط تنطوي على نشاط المصفوفات من الفلزات وأجهزة منع الحمل، كما أن التحفيز الفيزيائي الحيوي يُعدل التوازن بين برنامج إدارة المواد الكيميائية/برنامج إدارة المواد الكيميائية، ويتيح التحلل المراقب واستبدال المواد ذات النطاقات المحتوية على مصفوفة مستخرجة من الخلايا، وهذه العملية أساسية لتحقيق الاستقرار الطويل الأجل وإدماج السفينة الهندسية في الحياة العملية.

تعيين خلية بيرسيت ومورال

فالاضطرابات الوعائية لا تكتمل إلا بعد أن تستثمر الخلايا العضلية أو الخلايا العضلية السلسة الأنبوبية، فالغاز الأحيائي الفيزيائي يشجع هذا الاستثمار من خلال عدة آليات، ويحفز الإجهاد الحاد على توفير سر ثابت من عامل النمو المزود باللوحات (PDGF-BB)، وهو عامل كيميائي قوي بالنسبة للثدييات المسببة للارتحال، بينما يرتفع التراكم في الخلايا.

تصميم المفاعلات الأحيائية وتحقيق الاستخدام الأمثل

البارامترات الرئيسية

ويتطلب التفعيل الأمثل للفيزياء الحيوية مراقبة دقيقة على عدة بارامترات: حجم الإجهاد المزروع، وموجة التدفق )الاستحلال ضد اللغم(، والتواتر، وكمية السلالة الدورية، ومستوى الضغط الهيدروكولوجي، وبالنسبة لسفن الدم التي تولدها الأنسجة والتي يقصد بها استبدال الشريان، فإن الظروف النموذجية هي: الإجهاد الحاد ١٥ دين/كوم٢ )نسبة ٨٠ في المائة من الإجهاد(.

ويعد الرصد الفعلي لبارامترات مثل الهيدروجيني، والتوتر في الأوكسجين، ومعدل التدفق أمرا بالغ الأهمية، إذ تضم أجهزة التبريد الأحيائي المتقدمة أجهزة استشعار للاختناق، والليزر دوبلر، ورسم الخرائط الاصطناعية لتقييم سلامة السفن دون انقطاع العقم، وتستخدم بعض النظم مراقبة التغذية الارتجاعية للحفاظ على الضغط المستمر على الخرف مع تغيرات في قطر السفينة بسبب النمو أو الانكماش.

الاعتبارات المتعلقة بالفجوة والارتقاء

فالالمواد ذات النطاق الاصطناعي يجب أن تصمد أمام الحمولات الميكانيكية التطبيقية وأن تسمح بضبط الخلايا وإعادة تصميمها، كما أن المصفوفات المرتجلة، والبوليمرات الاصطناعية (مثلاً، البوليكارتيلات، حمض البوليغل)، والهيدروغلات (مثلاً، التلال، الألياف) تستخدم عادة، وتؤثر السمة في النسيج والنسيج على كيفية إجهاد الناجم عن الإجهاد.

Scale-Up and Clinical Translation

ويطرح الانتقال من المفاعلات الأحيائية على نطاق ضيق إلى أحجام ذات صلة سريرية (مثلاً، المشابكات المغنطة من 20 إلى 30 سم) تحديات هندسية، ويحتاج تطبيق نظام المكييف من خلال البنايات الطويلة إلى نظم قوية للضخ وتصميم دقيق للثدييات، وقد تم تطوير عدة منابر للثبات الأحيائية لسفن ذات مقياس كبير، بما في ذلك سفن تصنيع النفايات الدوارة ونظم الواعدة المتوازية.

التطبيقات والتوجيهات المستقبلية

Tissue-Engineered Vascular Grafts

أكثر الطرق مباشرة للسفن الناضجة بيولوجياً هي في مسامير من النسيجات الوعائية للجراحة التفافية، وتفشل الطيفات الاصطناعية الحالية في تطبيقات القياسات الصغيرة (الحالة الأولى من 6 مم) بسبب التفسخ وتضخم ضغط الدم، ومعدلات النسيج المصممة الأنسجة مع طبقة من العضلات النضج والثعبية السائلة الصنعية السائلة

التعليمات المعمارية للهندسة العضوية

وتحتاج تركيبات كبيرة من الأعضاء )الكليات، رقائق القلب( إلى شبكة من الأوعية الدموية المسبقة لضمان الانزلاق الفوري عند زرعها، وقد أظهرت المفاعلات الأحيائية التي تخلق سريراً من الميكروفونات في خلايا ثابتة ذات بذور العينات، وتطبيق التدفقات الإتجاهية - المكنات الميكانيكية التي تنتج مجاريات تشغيلية ذات طابع التداول في غضون أيام قليلة.

نمذجة الأمراض وفحصها

ويمكن أن تكون سفن الدم المولدة في المفاعلات البيولوجية بمثابة نماذج ذات صلة جسدياً لدراسة الأمراض الوعائية (مثلاً، التحلل الحراري، وارتفاع ضغط الدم، والاضطرابات الوبائية الرئوية) أو لفحص المركبات الجامدة المضادة للمرض، كما أن إدراج خلايا جذعية محفزة على الإصابة بمرضى معينين يتيح نماذج الأمراض التي تصيب الجسم الطبيعي.

دمج العوامل الكيميائية الحيوية

وفي حين أن تركيز هذه المادة هو المكشوف الفيزيائي الأحيائي، من المهم ملاحظة أن المكعبات الكيميائية الأحيائية (عامل النمو، والسيتوكيات، ومكونات المصفوفة خارج الخلية) تعمل بشكل تآزري، وتُدرج المفاعلات الأحيائية على نحو متزايد نظم إطلاق خاضعة للرقابة في إطار نظام VEGF، وPDGF، وTGFBBBBB، وعامل التكسيدات التخريبية.

مراقبة التغذية في الوقت الحقيقي

ومن المرجح أن تتضمن المفاعلات الأحيائية في المستقبل نظماً لمراقبة الغلق تكيف معالم المحاكاة استناداً إلى بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي، وعلى سبيل المثال، إذا زادت قدرة السفن على التحمل (التي يتم اكتشافها عن طريق الاختراق)، يمكن للمراقب أن يزيد الضغط على الماشية أو يعدل السعة الضالة لتعزيز الحاجز.

خاتمة

Biophysical stimuli-shear stress, cyclic strain, and hydrostatic pressure-are potlators of vascular maturation in bioreactors. By mimical environment of native blood vessels, these cues drive endothelial alignment and barrier function, smooth gangaf the speciation,meldeling, and pertimte recruitment.