يوضح البروفيسور تساحي كوهين كارني: "على مدى عقود، كان مجال الفيزيولوجيا الكهربية يعتمد على استخدام الخلايا والمستنبتات المزروعة على أسطح ثنائية الأبعاد، وهي تقنية مبتكرة لـ "العضو على شريحة".
[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح فريق دولي من الباحثين من جامعة كارنيجي ميلون وجامعة نانيانج التكنولوجية في سنغافورة (NTU Singapore) في تطوير نظام عضو على شريحة يستخدم أجهزة استشعار كهربائية حيوية لقياس الفيزيولوجيا الكهربية لخلايا القلب في مجموعة ثلاثية الأبعاد
تعمل مصفوفات المستشعرات البيولوجية ثلاثية الأبعاد هذه، التي تلتف حول أنسجة خلايا القلب البيضاوية وتغلفها بإحكام، على إنشاء "عضو على شريحة"، وبالتالي تسمح للباحثين بفحص كيفية تواصل الخلايا مع بعضها البعض في الأنظمة متعددة الخلايا مثل القلب.
يمكن أن يساعد نهج "العضو على شريحة" في تطوير وتقييم فعالية الأدوية لعلاج الأمراض، وربما حتى يسمح للباحثين بفحص الأدوية والسموم مباشرة على أنسجة تشبه الإنسان، بدلا من اختبارها داخلها. الأنسجة البشرية. ويمكن أيضًا استخدام النظام للحصول على نظرة ثاقبة حول العلاقة بين الإشارات الكهربائية في القلب وتطور الأمراض، على سبيل المثال اضطرابات ضربات القلب. يسمح هذا البحث، الذي نُشر منذ فترة طويلة في مجلة Science Advances، للباحثين بفحص العمليات داخل الخلايا المستنبتة غير المتاحة حاليًا للباحثين، وعمليات مثل تطور الأنسجة ونضج الخلايا.
يقول تساحي كوهين كارني، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية وعلوم المواد في جامعة كارنيجي ميلون: "على مدى عقود، كان مجال الفيزيولوجيا الكهربية يعتمد على استخدام الخلايا والمستنبتات المزروعة على أسطح ثنائية الأبعاد، مثل أطباق بيتري". "نحن نحاول مواجهة التحدي المتمثل في قياس الأنماط الكهربائية للقلب في صورة ثلاثية الأبعاد من خلال تطوير أجهزة استشعار تلتف حول خلايا القلب وبالتالي توفير المعلومات الفيزيولوجية الكهربية من هذا النسيج." يبدأ نظام الجهاز على شريحة كمستطيل مسطح صغير، يشبه السوار الصغير. يبدأ السوار الشريطي كهيكل صلب ملفوف، ولكن عندما تتخلص من التوتر بداخله، فإنه سرعان ما يلتف حول معصمك. يبدأ العضو الموجود على الرقاقة بالمثل. ويقوم الباحثون بتثبيت نظام من أجهزة الاستشعار المصنوعة من أقطاب كهربائية معدنية أو أجهزة استشعار من مادة الجرافين على سطح الشريحة، ثم يقومون بتآكل الطبقة السفلية المصنوعة من الجرمانيوم، والمعروفة باسم "الطبقة المضحية". بمجرد إزالة هذه الطبقة، يتم تحرير مجموعة من أجهزة الاستشعار وتلف السطح في هيكل مشابه لقشرة البرميل.
اختبر الباحثون النظام على عضويات مكونة من خلايا القلب. هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد لخلايا القلب يبلغ عرضها 3-2 أضعاف عرض شعرة الإنسان. يتيح تغليف الخلايا للباحثين جمع قراءات الإشارات الكهربائية بدقة عالية. يوضح الباحث الرئيسي: "عمليًا، أنشأنا نظامًا من أجهزة الاستشعار الحيوية ثلاثية الأبعاد لقياس الفيزيولوجيا الكهربية للخلايا الجذعية التي تتمايز بعد ذلك إلى خلايا قلب". "يمكن استخدام هذا النظام في دراسة تجديد وتطور أنسجة القلب، وربما يستخدم لعلاج الأنسجة التالفة بعد نوبة قلبية، على سبيل المثال، أو لتطوير أدوية جديدة لعلاج المرض."
يقول الباحث الرئيسي: "إن التحليل الميكانيكي لعملية التغليف يتيح لنا التحكم بدقة في شكل المستشعرات، للتأكد من وجود اتصال وثيق بينها وبين أنسجة القلب". "تتيح هذه الطريقة أيضًا ضبط مستوى ضيق الاتصال الدقيق تلقائيًا بين المستشعرات والأنسجة بحيث يمكن قياس الإشارات الكهربائية عالية الجودة دون تغيير الظروف الفسيولوجية للأنسجة بسبب الضغط الخارجي."
"الفكرة العامة هي أخذ الأساليب التي يتم تنفيذها عادة في الهندسة المستوية (ثنائية الأبعاد) وتكييفها مع الهندسة الحجمية المكانية (ثلاثية الأبعاد)،" كما يوضح الباحث. "إن أعضائنا ثلاثية الأبعاد بطبيعتها. لسنوات عديدة، تم قياس الفيزيولوجيا الكهربية باستخدام الخلايا المزروعة في المزارع على سطح الأنسجة ثنائية الأبعاد في طبق بيتري. ومع ذلك، الآن، يمكن تطبيق هذه الأساليب المذهلة في الفيزيولوجيا الكهربية بمساعدة الهياكل ثلاثية الأبعاد."
مثل أطباق بيتري"، كما يقول تساحي كوهين كارني، أستاذ الهندسة الطبية الحيوية وعلوم المواد في جامعة كارنيجي ميلون. "نحن نحاول مواجهة التحدي المتمثل في قياس الأنماط الكهربائية للقلب في صورة ثلاثية الأبعاد من خلال تطوير أجهزة استشعار تلتف حول خلايا القلب وبالتالي توفير المعلومات الفيزيولوجية الكهربية من هذا النسيج." يبدأ نظام الجهاز على شريحة كمستطيل مسطح صغير، يشبه السوار الصغير. يبدأ السوار الشريطي كهيكل صلب ملفوف، ولكن عندما تتخلص من التوتر بداخله، فإنه سرعان ما يلتف حول معصمك. يبدأ العضو الموجود على الرقاقة بالمثل. ويقوم الباحثون بتثبيت نظام من أجهزة الاستشعار المصنوعة من أقطاب كهربائية معدنية أو أجهزة استشعار من مادة الجرافين على سطح الشريحة، ثم يقومون بتآكل الطبقة السفلية المصنوعة من الجرمانيوم، والمعروفة باسم "الطبقة المضحية". بمجرد إزالة هذه الطبقة، يتم تحرير مجموعة من أجهزة الاستشعار وتلف السطح في هيكل مشابه لقشرة البرميل.
اختبر الباحثون النظام على عضويات مكونة من خلايا القلب. هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد لخلايا القلب يبلغ عرضها 3-2 أضعاف عرض شعرة الإنسان. يتيح تغليف الخلايا للباحثين جمع قراءات الإشارات الكهربائية بدقة عالية. يوضح الباحث الرئيسي: "عمليًا، أنشأنا نظامًا من أجهزة الاستشعار الحيوية ثلاثية الأبعاد لقياس الفيزيولوجيا الكهربية للخلايا الجذعية التي تتمايز بعد ذلك إلى خلايا قلب". "يمكن استخدام هذا النظام في دراسة تجديد وتطور أنسجة القلب، وربما يستخدم لعلاج الأنسجة التالفة بعد نوبة قلبية، على سبيل المثال، أو لتطوير أدوية جديدة لعلاج المرض."
يقول الباحث الرئيسي: "إن التحليل الميكانيكي لعملية التغليف يتيح لنا التحكم بدقة في شكل المستشعرات، للتأكد من وجود اتصال وثيق بينها وبين أنسجة القلب". "تتيح هذه الطريقة أيضًا ضبط مستوى ضيق الاتصال الدقيق تلقائيًا بين المستشعرات والأنسجة بحيث يمكن قياس الإشارات الكهربائية عالية الجودة دون تغيير الظروف الفسيولوجية للأنسجة بسبب الضغط الخارجي."
"الفكرة العامة هي أخذ الأساليب التي يتم تنفيذها عادة في الهندسة المستوية (ثنائية الأبعاد) وتكييفها مع الهندسة الحجمية المكانية (ثلاثية الأبعاد)،" كما يوضح الباحث. "إن أعضائنا ثلاثية الأبعاد بطبيعتها. لسنوات عديدة، تم قياس الفيزيولوجيا الكهربية باستخدام الخلايا المزروعة في المزارع على سطح الأنسجة ثنائية الأبعاد في طبق بيتري. ومع ذلك، الآن، يمكن تطبيق هذه الأساليب المذهلة في الفيزيولوجيا الكهربية بمساعدة الهياكل ثلاثية الأبعاد."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
