"نظام دماغي على شريحة كشف لنا تفاصيل جديدة عن نشاط الحاجز الدموي الدماغي، ما سيساعد في علاج الزهايمر وآثار الأدوية"

هكذا يقول الدكتور بن ماعوز من قسم الهندسة الطبية الحيوية وكلية ساجول لعلم الأعصاب بجامعة تل أبيب، والذي نُشرت أبحاثه هذا الأسبوع في مجلة Nature Biotechnology. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف الباحثون كيف يؤثر عقار الكريستال ميث على خلايا الدماغ والدم الموجودة في الحاجز بينهما. ووفقا له، يمكن استخدام الرقائق البيولوجية كبديل للتجارب على الحيوانات

"لقد كشف لنا نظام دماغي على شريحة تفاصيل جديدة حول نشاط الحاجز الدموي الدماغي، والذي سيساعد في علاج أمراض مثل مرض باركنسون والزهايمر". هكذا يقول الدكتور بن ماعوز من قسم الهندسة الطبية الحيوية وكلية سيغول لعلم الأعصاب في جامعة تل أبيب، والذي قام، كجزء من دراسة أجراها مع باحثين من معهد فايس وجامعة هارفارد ومعهد KTH السويدي، بإنشاء جهاز نموذج يحاكي مرور السوائل من الدم إلى دماغ الإنسان من خلال "عضو فائق" "Organ-on-a-Chip". نُشرت نتائج البحث الرائد (الاثنين، 20.8.18) في المجلة طبيعة التكنولوجيا الحيوية.

وفي حوار مع موقع حيدان، يوضح الدكتور ماعوز أن النظام الذي بناه أثبت أن الأوعية الدموية التي تحمل الدم إلى الدماغ ليست مجرد أنبوب ينظم كمية الدم والخلايا العصبية، بل إنها أيضًا ذات اتصال مباشر جدًا اتصال كبير مع الخلايا العصبية، مهم جدًا لدرجة أن كل مادة كيميائية تطلقها الأوعية الدموية تؤثر على نشاط الخلايا العصبية. وكان الاكتشاف الثاني في الواقع تأكيدًا للنموذج، حيث قام الباحثون بتغذية الأوعية الدموية بعقار كريستال ميث الخطير وأظهروا أن رد فعل الأعصاب يتوافق مع ما هو معروف عن تأثير الدواء بل واكتشفوا تأثيرات لم تكن كذلك. معروف حتى الآن. "هذه دراسة لا يمكن إجراؤها على الفئران، على سبيل المثال، لأن الدماغ عضو مضغوط، وبالطرق الحالية لا يمكن قياس التفاعلات بين الخلايا المختلفة.

"يتكون الدماغ البشري من مائة مليار خلية عصبية، تتحكم في كل أفكارنا وأفعالنا، وهو العضو الأكثر تعقيدًا وحساسية في جسم الإنسان. ولهذا السبب، يحتاج الدماغ إلى حماية خاصة من السموم. الأوعية الدموية التي تزود الدماغ بالأكسجين والمواد المغذية انتقائية للغاية فيما يتعلق بالمواد التي يمكن أن تنتقل من الدم إلى الدماغ والعكس، ولهذا السبب تسمى حاجز الدم الدماغي. وبعيدًا عن كونه حاجزًا ماديًا، ينظم الحاجز وظائف الدماغ بشكل فعال، ولكن حتى اليوم لم يكن من الواضح كيف يتم هذا التنظيم عمليًا".

يوضح الدكتور ماعوز: "من المعروف أن هناك علاقة بين الأوعية الدموية في الدماغ ونشاط الدماغ نفسه". "تعمل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي على هذا المبدأ، على سبيل المثال: عندما نقوم بتمرين منطقة معينة من الدماغ، فإن الأوعية الدموية تتدفق المزيد من الدم إلى المنطقة - ويقوم الجهاز بقياس النشاط المتزايد. ومع ذلك، فمن الصعب للغاية فهم التفاعل بين الأوعية الدموية والخلايا العصبية على المستوى الخلوي. وبطبيعة الحال، ليس من الممكن العمل مع دماغ بشري حي، في حين أن الخلايا في الثقافات لا تعكس هذا الاتصال. يؤثر الاتصال بين الخلايا بشكل كبير على خصائصها. تختلف الخلايا العصبية التي تنمو في طبق بتري في خصائصها عن الخلايا العصبية المرتبطة بخلايا الأوعية الدموية."

الحل الذي توصل إليه الدكتور ماعوز هو عضو على شريحة: زراعة أنسجة بشرية من أنسجة متبرع بها وخلايا جذعية تم تحويلها إلى خلايا أعضاء، بحيث يمكن محاكاة نشاط العضو بطريقة محكمة ومختلفة. يمكن ربط أجزاء من الدماغ. في السنوات الأربع الماضية، قام الدكتور ماعوز ببناء نظام حي يحاكي تفاعلات الدماغ البشري: أنسجة دماغية على شريحة، متصلة بنسيجين وعائيين وخلايا عصبية تحاكي الحاجز الدموي الدماغي.

يوضح الدكتور ماعوز: "إن تقنية العضو على الشريحة هي تقنية تم اختراعها منذ حوالي عقد من الزمن، لكن تطبيقها في فهم العمليات البيولوجية الأساسية في الدماغ كان محدودًا للغاية. والسبب في ذلك هو أننا حتى الآن قمنا بفحص أنسجة المخ بمعزل عن حاجز الدم. لقد أنشأنا نظامًا كاملاً وأثبتنا أنه يعمل. لذلك، على سبيل المثال، قمنا بإدخال الميثامفيتامين، وهو عقار من سلسلة "Breaking Bad"، إلى شرائح خلايا الدم ورأينا أننا نحصل على نفس الأعراض على شريحة الدماغ التي تظهر لدى الأشخاص الذين يستخدمون المخدرات.

والفكرة هي أخذ الخلايا البشرية وتقليد وظيفة عضو معين داخل خرطوشة بلاستيكية نسميها شريحة. على سبيل المثال، الكلى هي مرشح. إذا تمكنا من أخذ خلايا كلية لشخص ما، وصنع مرشح منها ووضعها في قطعة من البلاستيك، فسوف نسميها كلية على شريحة. القلب عبارة عن مضخة - إذا تمكنت من أخذ خلايا قلب بشرية وبناء شيء منها ينقبض مثل المضخة، فسنسميه قلبًا على شريحة. يمكن القيام بذلك لأي عضو. ولأخذ وظيفتها من خلال تقنيات هندسة الأنسجة، ضعها في خرطوشة بلاستيكية وقم بتنميتها في المختبر.

"ميزة تقليد الأعضاء الموجودة على الشريحة هو أنه يمكنك ربط جميع هذه الرقائق، على سبيل المثال الكلى والقلب والأمعاء، ومعرفة كيف يؤثر دواء عضو واحد على أعضاء أخرى، على سبيل المثال الآثار الجانبية لدواء للقلب على الكبد، وهو نوع من الأبحاث يصعب جدًا إجراؤه بأي طريقة أخرى. بالإضافة إلى ذلك، بما أن الخلايا التي أعمل معها هي خلايا بشرية، فإن الكيان الذي أقوم ببنائه في المختبر هو إنسان صغير على شريحة. في هذه الدراسة قمنا بفحص الدماغ. الدماغ عضو معقد يوجد فيه العديد من المناطق التي لكل منها وظيفتها الخاصة، ولكن جميعها لها قاسم مشترك - فهي تحتوي على أعصاب تتواصل مع الأوعية الدموية من خلال الحاجز الدموي الدماغي. وهذه المنطقة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأن أي مادة كيميائية تصل إلى الدماغ عبر الدم يجب أن تعبر حاجز الدم في الدماغ. يتأكد الحاجز من عدم دخول السموم والبكتيريا. ومن ناحية أخرى، فإن نفس الآلية أيضًا تجعل من الصعب على الأدوية، التي تتكون من جزيئات كبيرة، دخول الدماغ.

"لقد أخذنا هذه المنطقة من التفاعل بين الأوعية الدموية للدماغ والخلايا العصبية للدماغ وقمنا بتحليلها إلى شريحتين - إحداهما تحاكي الخلايا العصبية - الخلايا العصبية - والأخرى الأوعية الدموية وحافظنا على الاتصال بين الرقاقتين. يمثل هذا النموذج أهمية كبيرة لشركات الأدوية التي تبحث عن أدوية للأمراض التنكسية العصبية مثل مرض الزهايمر ومرض باركنسون، والتي يصعب علاجها للغاية لأن الأدوية لا يمكن نقلها عبر الحاجز الدموي الدماغي. وبصرف النظر عن ذلك، فهو بالطبع محل اهتمام علماء الأعصاب المشاركين في العلوم الأساسية."

بديل للتجارب على الحيوانات

ويقول الدكتور ماعوز: "إن أكثر من ستين بالمائة من الأدوية التي خضعت للتجارب على الحيوانات بنجاح تفشل في مرحلة التجارب على البشر". "على الرغم من التشابه، فإن دماغ الفأر ليس ببساطة دماغًا بشريًا. علاوة على ذلك، فإن الأمراض التنكسية العصبية هي أمراض مميزة للإنسان بشكل أساسي. على الرغم من أن الفئران تستخدم لمحاكاة أمراض مثل مرض الزهايمر، إلا أن الأمر ليس كذلك تمامًا. ولهذا السبب، نهدف إلى بناء دماغ على شريحة من الخلايا البشرية، والذي يحاكي عمل الدماغ في الحالة الطبيعية وفي الحالات المرضية. يتيح لنا الدماغ الذي بنيناه في المختبر فحص العمليات البيولوجية المعقدة وتأثير المخدرات على البشر دون تعريض أي شخص للخطر، ودون الإضرار بالحيوان، وهذا بطريقة فعالة أكثر من أي وقت مضى. إن العضو الموجود على شريحة ليس مجرد أداة بحثية. لقد بدأت إدارة الغذاء والدواء بالفعل في تطوير الأعضاء على الرقائق كجزء من عملية تطوير الأدوية، وقد تم بالفعل إنشاء عدد من عمليات التعاون بين مختبراتي وشركات الأدوية من إسرائيل والعالم."

وأضاف: "نقوم هذه الأيام بإضافة أعضاء إضافية، مثل الجهاز المناعي والكبد، بهدف بناء نموذج كامل لجسم الإنسان على الرقائق، وهو ما سيغني عن الحاجة إلى الحيوانات في المختبر ويعطي الباحثين قرارات غير مسبوقة لـ تأثير المواد الكيميائية المختلفة على الدماغ البشري - والتطور البيولوجي لمختلف الأمراض التي ينفرد بها الإنسان ". يقول الدكتور معوز.

"إذا ذهبنا إلى توقعات من مجال الخيال العلمي، فإن الطموح هو الوصول إلى حالة من تطوير شخص كامل على رقائق، حيث تمثل كل شريحة عضوًا مختلفًا في جسده، عندما يكون من الممكن أخذ خلية من جلده، وتحويله إلى خلية جذعية ومنها إلى الخلايا الأخرى، ومن ثم اختبار تأثير الدواء على المريض المحدد بمساعدة الأعضاء الموجودة على شريحة"، يختتم الدكتور ماعوز.

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• "الهدف هو فهم كيفية عمل الدماغ والاستخلاص من ذلك أيضًا رؤى في مجالات أخرى"
• علم الأعصاب – حدود العقل
• المرحلة التالية في تطور الإنسان - الجزء الثاني: واجهة الإنسان والآلة