مستشعر حموضة حساس يبدأ إنتاج الأنسولين

نجح الآن فريق من المهندسين الحيويين في تطوير زرعة جديدة وهي عبارة عن جهاز جزيئي ويتكون من عنصرين: جهاز استشعار يقيس بشكل مستمر مستوى الحموضة (pH) في الدم وآلية ردود الفعل القائمة على الجينات التي تؤدي إلى إنشاء الكمية المطلوبة بالضبط من بروتين الأنسولين.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
نجح الآن فريق من المهندسين الحيويين في تطوير زرعة جديدة وهي عبارة عن جهاز جزيئي ويتكون من عنصرين: جهاز استشعار يقيس بشكل مستمر مستوى الحموضة (pH) في الدم وآلية ردود الفعل القائمة على الجينات التي تؤدي إلى إنشاء الكمية المطلوبة بالضبط من بروتين الأنسولين.

نجح الآن فريق من المهندسين الحيويين في تطوير زرعة جديدة وهي عبارة عن جهاز جزيئي ويتكون من عنصرين: جهاز استشعار يقيس بشكل مستمر مستوى الحموضة (pH) في الدم وآلية ردود الفعل القائمة على الجينات التي تؤدي إلى إنشاء الكمية المطلوبة بالضبط من بروتين الأنسولين. لن تعمل العديد من وظائف التمثيل الغذائي بشكل صحيح إلا إذا ظل مستوى الحموضة في الجسم محايدًا ومستقرًا. بالنسبة للبشر، فإن الحالة الطبيعية لحموضة الدم تتراوح بين 7.45-7.35. بالمقارنة مع ذلك، فإن المعدة الفارغة تكون حمضية للغاية ويبلغ مستوى الحموضة فيها 1.5.

يراقب الجسم باستمرار نطاق الأس الهيدروجيني الضيق هذا ويعيد بسرعة القيم المثالية في حالة الانحرافات عن النطاق الصحي. وذلك لأن العديد من البروتينات تتوقف عن العمل بشكل صحيح إذا أصبحت السوائل في الجسم أكثر حمضية قليلاً. تفقد البروتينات استقرارها، وتتغير بنيتها، وتتغير تفاعلاتها مع البروتينات الأخرى، وكل هذا يتسبب في حدوث خطأ في المسارات الأيضية.

الأشخاص المصابون بداء السكري من النوع الأول معرضون للخطر بشكل خاص في حالة الحموضة العالية. في هذه الحالة، لا ينتج جسمهم الأنسولين، وهو الهرمون الذي ينظم مستويات السكر في الدم، وبالتالي فإن خلاياهم غير قادرة على امتصاص السكر من الدم وتضطر إلى الحصول على طاقتها من مصدر آخر: احتياطيات الدهون. خلال هذه المرحلة، ينتج الكبد مادة بيتا هيدروكسي بويترات، وهو حمض يزود العضلات وخلايا الدماغ بالطاقة عبر مجرى الدم. ومع ذلك، إذا استمر الجسم في استخدام احتياطيات الدهون لتوليد الطاقة، يتم إنشاء كمية كبيرة من الحمض بحيث ينخفض ​​مستوى حموضة الدم بينما تظل جزيئات السكر في مجرى الدم غير مستخدمة. إذا لم يتم ملاحظة أو علاج نقص الأنسولين، فإن المرضى الذين يعانون من مرض السكري من النوع الأول يتخلصون في النهاية من حالة تعرف باسم الحماض الكيتوني [الأجسام الكيتونية والحمض في الدم] - وهي صدمة استقلابية تنتج عن زيادة مادة بيتا هيدروكسي بوتيرات.

قام فريق من المهندسين الحيويين من قسم علوم وهندسة النظم الحيوية من معهد زيورخ للتكنولوجيا في بازل (ETH) بتطوير زرعة جديدة وهي عبارة عن جهاز جزيئي ويتكون من مكونين: جهاز استشعار يقيس مستوى الحموضة بشكل مستمر (الرقم الهيدروجيني) في الدم وآلية التغذية المرتدة القائمة على الجينات والتي تؤدي إلى تكوين الكمية المطلوبة تماما مثل بروتين الأنسولين. قام الباحثون بدمج المكونات البيولوجية في نظامهم، مثل الجينات والبروتينات المختلفة، مع استيعابها في خلايا الكلى. وفي الخطوة التالية، قام الباحثون بزراعة ملايين الخلايا المتكيفة من هذا النوع داخل كبسولات يمكن استخدامها كزرعات داخل الجسم. جوهر جهاز الزرع هو مستشعر الحموضة، الذي يقيس بانتظام مستوى الحموضة الدقيق في الدم ويتفاعل بحساسية عالية مع الانحرافات الصغيرة عن قيم الحموضة المثالية. إذا انخفضت القيمة إلى أقل من 7.35، يرسل المستشعر إشارة لبدء إنتاج الأنسولين. هذه القيمة المنخفضة للحموضة خاصة بمرضى السكري من النوع 1. على الرغم من أن انخفاض مستوى الحموضة يحدث أيضًا بسبب زيادة تعاطي الكحول وممارسة الرياضة البدنية بسبب الحموضة المفرطة للعضلات، إلا أن القيم في هذه الحالات لا تنخفض عن قيمة 7.35.

ويضمن هرمون الأنسولين أن خلايا الجسم تمتص السكر مرة أخرى وينقل مصدر الطاقة الذي يستخدمه الجسم من احتياطيات الدهون إلى السكر، ونتيجة لذلك ترتفع قيمة الحموضة مرة أخرى إلى قيمتها الطبيعية. وبمجرد عودة مستوى حموضة الدم إلى قيمته المثالية، يتوقف المستشعر عن العمل وتتوقف الخلايا المبرمجة عن إنتاج الأنسولين.

لقد كان لدى الباحثين الوقت بالفعل لاختبار اختراعهم على الفئران المصابة بداء السكري من النوع الأول والحماض المرتبط بهذه الحالة. تبدو النتائج واعدة: فالفئران التي تم زرع الكبسولات المبتكرة فيها أنتجت كمية الأنسولين اللازمة للنطاقات الصحية لها. وكان مستوى الهرمون في الدم مساويا لمستوى الفئران السليمة التي تمكنت من تنظيم مستويات الأنسولين بشكل طبيعي. وكانت الغرسات أيضًا قادرة على تعويض الانحرافات الكبيرة في مستوى السكر في الدم.

يقول أحد الباحثين: "من المؤكد أن التطبيقات المتكيفة مع الإنسان بناءً على هذا النموذج الأولي يمكن تصورها، ولكن لم يتم تطويرها بعد". ويضيف ويقول: "أولاً وقبل كل شيء، أردنا تطوير نموذج أولي لمعرفة ما إذا كان من الممكن استخدام الأعضاء الاصطناعية الجزيئية لمثل هذه التعديلات الحساسة في عمليات التمثيل الغذائي". وفي الوقت نفسه، فإن تطوير هذا النوع من المنتجات وتسويقها تجاريًا يقع خارج إطار فريق الباحثين والموارد المالية المتاحة لهم، كما يقول كبير الباحثين، ويأمل في خلق تعاون مع شريك من الصناعة. قطاع.

لقد تصدر بعض العلماء من فريق البحث هذا عناوين الأخبار عدة مرات في الماضي كجزء من تطويرهم لشبكات اصطناعية مماثلة. على سبيل المثال، قاموا بتطوير زرعة جينية يمكن تنشيطها بإشعاع الضوء الأزرق، وفي هذه العملية ينتجون GLP-1 [الببتيد الشبيه بالجلوكاجون -1]، وهي مادة تنظم إنتاج الأنسولين في الجسم. كما تمكنوا من دمج شبكة تمنع المتلازمة الأيضية، وهي عملية ينشطها دواء لخفض ضغط الدم. استجابت كل هذه الشبكات للإشارة بإنتاج المادة الفعالة هرمونيًا. ومع ذلك، فإن الميزة الخاصة لآلية التغذية الراجعة الجديدة هي أن الجسم نفسه ينتج الإشارة، والتي يتم اكتشافها في الخطوة التالية بواسطة المستشعر الذي يولد استجابة علاجية مناسبة.

أخبار الدراسة