تقنية جديدة تساعد علي رصد نمو الأنسجة الحية في المختبر.

 يمكن لمستشعر الأس الهيدروجيني الضوئي الجديد الذي يعمل على إثبات صحة مفهوم إجراء الدراسات في مجال تجديد و نمو الأنسجة

في يوم من الأيام، يود الأطباء أن ينمووا أطرافهم وأنسجة الجسم الأخرى للجنود الذين فقدوا أذرعهم في المعارك، والأطفال الذين يحتاجون إلى قلب أو كبد جديد، والعديد من الأشخاص الآخرين ذوي الاحتياجات الخاصة.

اليوم، يمكن الخبراء الطب اخذ خلايا من المريض، وإيداعها في سقالة خاصة للأنسجة، وإدخال السقالة في الجسم لتحفز نمو العظام والغضاريف والأنسجة المتخصصة الأخرى.

لكن الباحثين ما زالوا يعملون على بناء أعضاء معقدة يمكن زرعها في المرضى بشكل آمن.

 يدعم علماء المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا «NIST» هذا المجال من الأبحاث من خلال تطوير نوع جديد واعد من أجهزة الاستشعار التي تستخدم الضوء لدراسة نمو الأنسجة في المختبر.

أظهر عمل فريق «NIST» صحة هذا البحث، الذي نُشر في Sensors and ActuatorsB، حيث أن مستشعرًا صغيرًا يستخدم إشارة تعتمد علي الضوء لقياس كلا من درجة الحموضة ووحدة قياس الحموضة، وهي خاصية مهمة في دراسة نمو الخلايا.

أستخدام أخر للمستشعرات الضوئية:

يمكن استخدام نفس التصميم الأساسي لقياس العوامل الأخرى مثل وجود الكالسيوم وعامل نمو الخلايا وبعض الأجسام المضادة.

على عكس أجهزة الاستشعار التقليدية، يمكن استخدام طريقة القياس هذه، لمراقبة البيئة في الخلية على المدى الطويل – لأسابيع – دون الاضطرار إلى وقف نمو الخلايا بانتظام لمعايرة أدوات الاستشعار.

  قال الكيميائي «زيشان أحمد» : إن مراقبة خصائص الأنسجة في الوقت الفعلي مع تغيرها ببطء، على مدار أيام أو أسابيع، يمكن أن يفيد إلى حد كبير في دراسة هندسة الأنسجة على نمو الأسنان وأنسجة القلب والأنسجة العظمية وأكثر من ذلك.

وقال د. أحمد أيضا “نريد أن نصنع مستشعرات يمكن وضعها داخل الأنسجة النامية لتزويد الباحثين بمعلومات كمية، هل ينمو النسيج فعليًا؟ هل هو صحي؟ إذا كنت تزرع عظمًا، هل له خصائص ميكانيكية مناسبة أم أنه ضعيف جدًا في دعم الجسم؟”

يمكن أن يكون لهذا لعمل فوائد تتجاوز هندسة الأنسجة أيضًا، لتصل إلى دراسة تطور أمراض مثل السرطان.

وقال الكيميائي «ماثيو هارتنجز » في «الجامعة الأمريكية» والباحث الضيف في معهد «NIST»: “ما يمكن أن تقدمه هذه المستشعرات للناس هو معلومات في الوقت الفعلي عن نمو الأنسجة وتطور المرض، و إن أجهزة الاستشعار التقليدية تمنح الباحثين سلسلة من اللقطات، دون أن تظهر لهم الطريق بين كل مراحل النمو تلك لكن أجهزة الاستشعار الضوئية، يمكن أن تزود العلماء بمعلومات مستمرة، أي ما يشبه تطبيق تحديد المواقع والملاحة للمرض.

وقال «هارتنجز»أيضا : “نريد أن نوفر للباحثين خريطة تفصيلية للتغيرات الإضافية التي تحدث لأن النسيج إما ينمو بطريقة صحية أو يصاب بالمرض”. “بمجرد أن يعرف الباحثون” الطرقات ” التي يدخل بها المرض للخلايا، يمكنهم حينئذٍ منع أو دعم التغييرات التي تحدث” في جسم المريض.

دور الأس الهيدروجيني في نمو الخلايا:

تعد قياسات الرقم الهيدروجيني جزءًا حيويًا من دراسات هندسة الأنسجة، مع نمو الخلايا، تصبح بيئتها بشكل طبيعي أكثر حمضية، إذا أصبحت البيئة حمضية جدًا – أو قاعدية جدًا – تموت الخلايا.

يقيس العلماء الرقم الهيدروجيني على مقياس من 0 (حمضي جدًا) إلى 14 (قاعدي جدًا)، مع بيئة مثالية لمعظم الخلايا في نطاق ضيق حول درجة الحموضة 7.

أدوات قياس درجة الحموضة التجارية دقيقة للغاية ولكنها غير مستقرة. وهذا يعني أنها تتطلب معايرة متكررة لضمان قراءات دقيقة يوما بعد يوم. بدون معايرة. تفقد أجهزة قياس درجة الحموضة التقليدية هذه ما يصل إلى 0.1 وحدة من الدقة اليومية.

لكن دراسة هندسة الأنسجة تتم على مدار أسابيع. قد تحتاج الخلايا الجذعية إلى النمو لمدة شهر تقريبًا قبل أن تتحول إلى عظام.

وقال د. أحمد “الزيادة البالغة 0.1 درجة مئوية مهمة، إذا تغيرت قيمة الرقم الهيدروجيني بمقدار 1. فإنها تقتل الخلايا. إذا كنت لا أستطيع الوثوق بأي شيء بشأن قياس الرقم الهيدروجيني الخاص بي بعد بضعة أيام، فلن أستخدم طريقة القياس هذه.”

من ناحية أخرى، إذا قلطه الباحثون نمو الخلايا المتنامية في كل مرة يتعين عليهم فيها قياس درجة الحموضة في بيئة غذاء الخلية، فإن العلماء يقدمون نوعًا آخر من عدم الثقة في قياساتهم. لأنهم يغيرون ظروف بيئة نمو الخلايا.

وقال أحمد إن المطلوب هو هذا النوع من البحث ، وهو نظام قياس يمكن أن يبقى داخل حاضنة مع الخلايا في وسط بيئة نموهم ولا يحتاج إلى إزالتها أو معايرتها لأسابيع في المرة الواحدة.

لسنوات، ظل أحمد وفريقه يطورون أجهزة استشعار ضوئية. أجهزة خفيفة الوزن صغيرة تستخدم إشارات ضوئية لقياس مجموعة من الصفات بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والرطوبة.

تستخدم بعض هذه الأجهزة الجديدة أليافًا ضوئية مرنة متوفرة تجاريًا ومزودة من الداخل بشبكة تُسمى «Bragg». وهو نوع من المرشح للضوء يعكس أطوال موجية معينة ويسمح للآخرين بالمرور.

التغييرات في درجة الحرارة أو الضغط تغير أطوال موجات الضوء التي يمكن أن تمر عبر الشبكة.

من أجل تكييف أجهزتهم الضوئية مع قياس درجة الحموضة، اعتمد أحمد وهارتنغز على مفهوم معروف في العلوم: عندما يمتص جسم ما الضوء، يجب أن تذهب الطاقة الممتصة “إلى مكان ما” ، كما يقول د. أحمد، وفي كثير من الحالات تتحول الطاقة إلى الحرارة.

وقال د. أحمد “بالنسبة لفوتون واحد، تكون الحرارة المُنتجة كمية صغيرة جدًا من الطاقة، لكن إذا كان لديك الكثير من الفوتونات التي تأتي. وكان لديك الكثير من الجزيئات، فسيصبح هذا تغيرًا ملحوظًا في الحرارة.”

طريقة استخدام وعمل المستشعر الضوئي :

استخدم الباحثون، في بيانهم التوضيحي مادة تتغير لونها استجابة للتغيرات في درجة الحموضة، وهي مادة قد يتذكرها الكثير من الناس في مجال البيولوجيا: مسحوق عصير الملفوف الأحمر.

يغير عصير الملفوف لونه من درجات اللون الأرجواني الداكن إلى اللون الوردي الفاتح حسب درجة حموضة المحلول. يمكن الحصول على هذا التغير في اللون بواسطة مستشعرات درجة حرارة أحمد الضوئية.

جهز الباحثون طبق بتري بمحلول عصير «الملفوف». تم وضع الألياف البصرية واحد فوق الطبق، كان متصلاً بمؤشر ليزر وضوء ساطع في العينة، الألياف البصرية الثانية كانت مضمنة فعليا في السائل.

احتوت هذه الألياف الثانية على «Bragg» مقضب وكانت بمثابة مستشعر لدرجة الحرارة، وقد سيطر فريق أحمد على الرقم الهيدروجيني للمحلول يدويًا.

لإجراء القياس، أضاء الباحثون لونًا واحدًا من الضوء – مثل اللون الأحمر – في العينة، حيث يمتص عصير الملفوف الضوء الأحمر بدرجات متفاوتة بناءً على لونه، والذي يعتمد على درجة الحموضة في المحلول في ذلك الوقت.

تم اختيار ألياف ميزان الحرارة الضوئي ليقوم برصد هذه التغييرات الطفيفة في حرارة العصير، يغير التغير في درجة الحرارة أطوال موجات الضوء التي يمكن أن تمر عبر شبكة «Bragg» للألياف.

بعد ذلك، أضاء الباحثون على اللون الثاني للضوء – مثل الأخضر – في السائل، وكرروا العملية.

بمقارنة مقدار الحرارة الناتجة عن كل لون من الضوء، يمكن للباحثين تحديد اللون الدقيق لعصير الملفوف في تلك اللحظة، وهذا ما أخبرهم درجة الحموضة في بيئة نمو الخلايا.

 وقال د. أحمد: “لقد قلنا حرفيًا، هل يمكننا تشغيل وإيقاف مؤشر الليزر لمدة بضع دقائق ومعرفة ما إذا كان بإمكاننا تحويل ذلك إلى جهاز قياس درجة الحموضة؟ وتمكنا من إظهار أنه يعمل على نطاق واسع، من درجة الحموضة من 4 إلى درجة الحموضة من 9 أو 10.”

نتائج البحث :

وقد أظهر العمل المستمر أن قياسات الرقم الهيدروجيني الضوئية تكون دقيقة إلى زائد أو ناقص 0.13 درجة من الأس الهيدروجيني ومستقرة لمدة ثلاثة أسابيع على الأقل، أطول بكثير من القياسات التقليدية.

يقول الباحثون أنه وفقًا للخبراء في هندسة الأنسجة، يمكن لأجهزة الاستشعار الضوئية الجديدة توفير معلومات مفيدة لمجموعة من الأنظمة البيولوجية، التي تتم دراستها، وخاصة نمو خلايا القلب والعظام.

لجولات الباحثون القادمة من التجارب، الجارية بالفعل، يستخدم باحثون معهد NIST صبغة أخرى حساسة لدرجة الحموضة، تسمى الفينول الأحمر.

بالإضافة إلى ذلك، يعملون على تغليف الصبغة في غلاف بلاستيكي حول الألياف نفسها، بحيث لا تتفاعل مع وسط أو بيئة نمو الخلية.

يجري الفريق أيضًا أول اختبار للنظام في بيئة نمو لخلية حية، بمساعدة من زملاء معهد NIST المتخصصين في هندسة الأنسجة.

تشمل الخطط المستقبلية قياس الكميات التي تتجاوز درجة الحموضة، لتي تتطلب ببساطة مبادلة أحمر الفينول لصبغة مختلفة حساسة لأي شيء يريد الباحثون قياسه فيما بعد.

يأمل د. أحمد في المستقبل ان يمكن استخدام مستشعرات القياس لمراقبة نمو الأنسجة داخل جسم إنسان حقيقي.

المصدر :   NIST