فوائد استخدام مصفوفات الهيدروجيل لثقافة الخلايا الثلاثية

والتحول من الثقافة التقليدية ذات الديمانين (D) إلى نظم ثلاثية الأبعاد (3D) يمثل أحد أهم التحولات المنهجية في البحوث الطبية البيولوجية، بينما تشكل ثقافات الجيل 2 دال مجموعة من الأحياء الخلوية التي لا غنى عنها منذ عقود، فإنها لا تستعيد هيكلها المعقد، وأجهزة الميكانيكية، والتفاعلات الخلوية - الفلزية الموجودة في الأنسجة الحية.

ما هي مقاييس هيدروغل؟

كما أن الجيل المائي هو شبكة من السلاسل المحتوية على ملوثات هيدروفيلية يمكن أن تستوعب وتحتفظ بكميات كبيرة من الماء - وغالباً ما تصل إلى 90 في المائة أو أكثر من وزنها الكلي، وتتداخل السلاسل المتعددة الزنزانات إما مادياً (مثلاً من خلال التفاعلات الأيونية، أو ربط الهيدروجين، أو التشابك السلاسل الميكانيكية ذات السلسلة) أو من الناحية الكيميائية (مثلاً عن طريق السندات المتناظرية)

Natural vs. Synthetic Hydrogels

وتنقسم البيوت الهيدروجينية المستخدمة في ثقافات الخلايا الثلاثية الأبعاد إلى فئتين واسعتين: الطبيعية والاصطناعية، وتستمد الهيدروجيلات الطبيعية من مصادر بيولوجية وتشمل مواد مثل التلال، وماتيجيل (مستخرج من خلايا النسيج - الهرم - الخلايا الميكانيكية، وخلايا السورم، وغاز النسيج (المستخرج من الأعشاب البحرية)، وحامض الهيالوري، ومقياس الجيلي)

ومن ناحية أخرى، تُعدّل الهيدرولوجينات الاصطناعية من البوليميرات مثل الخلايا المتعددة الإيثيلين، والكحول المتعدد الفينيل، والبوليكريلاميد، أو البتيدات ذاتية الترسب، وهي توفر رقابة دقيقة على التكتل، وأجهزة التحلل، والتكوين الكيميائي.() ويمكن أن يُدمج الباحثون في خامات معينة مُثبطة (مثل RGD).

أهم مقاييس هيدروغل للثقافة في الخلية

وتتوقف ملاءمة الهدروجيل بالنسبة لنوع خلوي معين أو هدف تجريبي على عدة بارامترات مادية وكيميائية، ويتيح فهم هذه الخواص للباحثين اختيار أو تصميم مصفوفة مثلى.

(المولودية الساموية)

ويمكن أن تؤثر الخلايا على الخصائص الميكانيكية لبيئة هذه البلدان من خلال عمليات مثل التحول الميكانيكي، وقد تؤثر حالة الهدرال، التي تقاس عادة في باسكالز (بأ)، تأثيراً كبيراً على تفريق الخلايا الجذعية، وانتشار الخلايا، والهجرة، مثلاً، على الجل الليني (0.1-1 1 كيلوباسكال) في الميول العصبي أو المسببة للمرض، بينما يعزز تركيز النسيج المتجانس (10-30 كيلو متراً)

Porosity and Diffusion

ونظراً لعدم وجود إمدادات من الدم في مبنى 3D، تعتمد الخلايا على الانتشار عبر الهدرجيل للأكسجين والمغذيات وتبادل النفايات، فالإباحية الكافية أمر حاسم: فالإباحية يجب أن تكون كبيرة بما يكفي للسماح بحركة الجيل الكلي ولكن ليست كبيرة بحيث تكون الخلايا غير مدعومة مادياً، ولكثير من الهيدروجيلات أحجام سميكة تتراوح بين 5 و200 نانو متر، وهي كمية كافية للنقل الصغير.

التحلل وإعادة الترميم

ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يتدهور الميثان بمعدل يطابق تكوين الاصطناعي، وإذا كان التدهور سريع جدا، فإنه ينهار، إذا كان بطيئا جدا، فإنه يقيد نمو الخلايا ورسم المصفوفة.

النشاط البيولوجي والوسيلة الكيميائية الحيوية

وفي المناطق المحلية من الظواهر الكيميائية، تُحاط الخلايا بمزيج معقد من عوامل النمو، وبروتينات التسخين، وأجهزة التحلل المغناطيسي، ويمكن تشغيل الخلايا الهيدروجينية مع هذه الجزيئات لتشجيع استجابات خلوية محددة، وأكثرها شيوعا هو خلط بين عوامل التكاثر في الخلايا (من الألياف) وبين خلايا البوليمر الخلفية لتيسير إطلاق الاشارات المفصلة.

مزايا استخدام مصفوفات الهيدروجيل

ويجلب التحول من 2D إلى 3D الثقافة التي تستخدم الهيدروجيلات فوائد متعددة تم التحقق منها عبر العديد من أنواع الخلايا وتطبيقاتها.

Biomimicry and Realistic Cell Behavior

وتعيد البيوتادايين الهايدروغلز إبراز السمات الرئيسية للجهاز المحلي للتحكم في المواد الكيميائية: فهي تقدم الدعم المادي، والألياق الحالية الاصطناعية في ثلاثة أبعاد، وتتيح للخلايا اعتماد مورفولوجيتها الطبيعية، وفي 2D، تُجبر الخلايا على أن تكون مسطحة، مما يمكن أن يغير تعبيرات الجيل والإشارات، وعلى سبيل المثال، تفقد الخلايا الدودية في 2D بسرعة وظائف خاصة بالكميات، مثل سرية الآلامينية.

التوحيد والتوحيد

ومن الميزات الرئيسية للهيدروجيلات أنه يمكن تصميمها لتلبية متطلبات أي نوع من أنواع الخلايا أو السؤال التجريبي تقريباً، ويمكن مطابقة التميز للأنسجة الأصلية؛ ويمكن تعديل معدل التحلل؛ ويمكن تحميل عوامل النمو للإطلاقات الخاضعة للرقابة؛ ويمكن تحديد قياس الجيلي (مثل استخدام المايكرويال أو الطباعة البيولوجية) وهذا التكتم يمكن الباحثين من دراسة الآثار المستقلة للميكانيكي والكيميائي الأحيائي.

تحسين اختبار المخدرات وخفض استخدام الحيوانات

(أ) أن تطور الـ[F] في مجال المخدرات يعاني من ارتفاع معدلات التناقص، ويعزى ذلك جزئيا إلى أن الفحوصات التي تجرى في خلايا الخلايا من نوع 2D ونماذج الحيوانات التي تُحدث في مرحلة مبكرة من مراحل الارتداد، قد تفشل في التنبؤ بالاستجابات البشرية.

الدراسات الثقافية والميكانيكية الطويلة الأجل

ويساند الهيدروغلز فترات الثقافة الممتدة حتى شهور دون الحاجة إلى التسرب (التنقيط) مما يسمح للباحثين بدراسة التعرض المزمن للمخدرات، ونضج الأنسجة، والعمليات البطيئة الخلايا مثل النسيج أو التليف، وبالإضافة إلى ذلك، تيسر بيئة الـ 3D الزراعة المشتركة لأنواع الخلايا المتعددة، مما يتيح بناء نظم متعددة الخلايا التي تتفاعل مع النسيجات الدقيقة.(ب)

تطبيقات البحث والطب

وتستخدم مصفوفات الهيدروجيل الآن في طائفة واسعة من الميادين الطبية الأحيائية، فيما يلي مجالات رئيسية تحدث فيها آثاراً كبيرة.

بحث السرطان ونمذجة الصدر

Suchlid tumogeneous masses -they contain cancer cells, stromal cells, immune cells, and a dense ECM. Hydrogels allow researchers to recreate the tumor microenvironment with controlled stiffness, oxygen gradientients, and cellular composition. For example, glioblastomad cultured in hyaluronic acid-

الطب الإبداعي والهندسة

وتُستخدم الهيدروجينات كبش فداءات لإصلاح الأنسجة وتجديدها، أما بالنسبة لإصلاح العظام، فإن الخلايا المسببة للثدي في مواضع مائية متطورة (مثلاً، مركبات الهيدروجينية الهيدروفلورية المحتوية على مادة الجيل) وتُزرع في عيوب، أما بالنسبة لإصلاح الرف، فإن الكمبيولوجيات ذات الاحتكاك المنخفض والمحتويات العالية للماء (مثلة).

الكشف عن المخدرات وعلم السموم

وتعتمد الشركات الصيدلانية بصورة متزايدة ثقافة خلايا ثلاثية الأبعاد باستخدام الهيدروجيلات لفحص العقاقير في المراحل المبكرة، وتحتفظ مركبات الكبد في الهيدروجين (GelMA) بنشاط من نوع (Ccytochrome P450) لمدة أسابيع، مما يجعلها قيمة بالنسبة لأجهزة قياس السمية الكبدية (Cardiac Microtissues in gelatin methacryloyl (GelMA) التي يمكن أن تُضِرَب نماذجها على النسية.

منابر الأعضاء على الشاشة

وكثيرا ما تتضمن الأجهزة الفلورية المصغرة مكونات هيدروجيلية لخلق واجهات للأنسجة، فعلى سبيل المثال، تستخدم مجموعة من الكيمبرانيات الميدولية ذات السمة العالية في النسيج، لفصل الهيليوم الفوقية القطبية من الكبسولة المميتة، ويمكن أن تستخدم عينة من الرئة على المضغوطة المائيات التي تدعم الأشعة الفوقية الفوقية في الأمعاء.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من مزاياها، فإن مصفوفات الهيدروجيل لا توجد بها قيود، ومن التحديات الرئيسية تحقيق توزيع خلايا موحدة أثناء التكديس، ويمكن أن تؤدي عملية تركيب الخلايا أو التجميع إلى تغيرات في البيئة المجهرية داخل نفس المبنى، وقد عالج الباحثون ذلك من خلال التكسير أثناء التوليد، واستخدام حلول متطورة قبل الجيل، أو الطباعة البيولوجية، وهناك مسألة أخرى هي نقص في البصمات والأكسجينية.

ولا تزال إعادة الإنتاج تشكل مصدر قلق، لا سيما مع وجود هوامش طبيعية تتفاوت باليابسة، كما أن توحيد البروتوكولات وأساليب التميز، مثل قياسات التقلبات والارتفاع، أمر حاسم بالنسبة للمقارنة بين الدراسات، كما أن الهيدروجيلات التركيبية تتيح إعادة إنتاج أفضل ولكنها تتطلب تصميما دقيقا لعرض الأدوات المناسبة، كما أن التكلفة والقابلية للتدرج تعوقان الاعتماد على نطاق واسع في الصناعة، رغم أن تطوير منصة البديلة للكيمياء.

الاتجاهات المستقبلية

ومجال الثقافة الخلوية القائمة على أساس الهيدروجيل 3D آخذ في التطور بسرعة، ومن الاتجاهات المثيرة دمج هيدروجيلات ذات دينامية ومستجيبة التي تغير ممتلكاتها استجابة للسرطان المتحول الخارجي (الضوء، درجة الحرارة، الصحة، النشاط الانزيمي) ويمكن أن تؤدي هذه الجيلات الكهرمائية إلى استئصال النسيج المتجدد الذي يحدث أثناء التنمية أو المرض.

والطباعة الأحيائية تتقدم من طبقات الجيل البسيطة إلى تركيبات معقدة متعددة المواد تشمل الخلايا، وعوامل النمو، وأنواع الجيل المختلفة في الأنماط المكانية الدقيقة، وهذه التكنولوجيات، مجتمعة مع الفلور، يمكن أن تنتج رغاوي الأنسجة الوظيفية من أجل زرعها، وأخيرا، فإن الجمع بين الهدراتجينات والتصوير المكون من المحتوى العالي، سيمكن من إجراء تحليل آلي لسلوك الخلايا في 3D، ويعمق الاكتشافات.

خاتمة

وقد حولت مصفوفات الهيدروجيل 3D الثقافة الخلوية من تقنية النيتشي إلى أداة رئيسية تسد الفجوة بين الدراسات البسيطتين والنماذج الحيوانية المعقدة، وقدرتها على تقليد الخلايا المتعددة الخلايا التي كانت تتوسع في الاختلالات، وهي خلايا قابلة للتشهير البيولوجي، وهي عوامل لا تزال أكثر واقعية، مما يؤدي إلى ظهور بصيرة أفضل إلى الفيزياء والمرض والتصوير غير القابل للتأثر.