طور معهد فراونهوفر لتقنيات المواد والإشعاع IWS في دريسدن، بالتعاون مع معهد فراونهوفر لعلم السموم والطب التجريبي ITEM في هانوفر وجامعة ريغنسبورغ، أنظمة ميكروية خاصة. يقومون فيها الآن بفحص شرائح الأنسجة من الأورام في ظل ظروف واقعية.
يقوم معهد فراونهوفر IWS بالفعل بتطوير أنظمة فيزيولوجية دقيقة بحجم علبة أقراص بنجاح لعدة سنوات. يمكن استخدامها لتمثيل وظائف الأعضاء أو العمليات المرضية بشكل مصطنع بمساعدة مزارع الخلايا، وللبحث في الأمراض خارج الجسم، أي خارج الجسم الحي، واختبار الأدوية. "نقوم بتكديس طبقات متعددة من رقائق بلاستيكية فوق بعضها البعض"، يشرح ستيفان بيرنز، مهندس التطوير في معهد فراونهوفر IWS. في البداية، يتم استخدام الليزر لهيكلتها. يتم إنشاء قنوات وغرف ومضخات وصمامات. وهذا يسمح بنمذجة عمليات معينة في جسم الإنسان. في الأنظمة الفيزيولوجية الدقيقة، يتم تدوير سائل يشبه الدم يزود الخلايا بالأكسجين والمواد المغذية. كان التحدي الجديد في مشروع متعدد التخصصات هو دراسة تكون النقائل السرطانية في الأنظمة الفيزيولوجية الدقيقة.
بهذه الرغبة، تواصل البروفيسور كريستوف كلاين، رئيس قسم الطب التجريبي وإجراءات العلاج في جامعة ريغنسبورغ ورئيس قسم العلاج الشخصي للأورام في معهد فراونهوفر ITEM، مع معهد فراونهوفر IWS. بالاشتراك مع جامعة إرلانجن-نورنبرغ، وافقت المؤسسة الألمانية للبحوث (DFG) على منح الريغنسبورغيين برنامجًا بحثيًا خاصًا في عام 2020. يهدف هذا البرنامج إلى الكشف عن كيفية استيطان النقائل للأعضاء بالضبط.
يتفاعل الورم والجهاز المناعي على شريحة
»لكي نتمكن من فحص ذلك، كان من المهم بالنسبة لنا دمج عدة شرائح من أنسجة الورم في نظامنا الفيزيولوجي الدقيق«، كما يقول فلوريان شميدر، رئيس المجموعة في معهد فراونهوفر IWS. وقد نجح ذلك لأول مرة في العالم في هذا المشروع. يمكن الآن زراعة ما يصل إلى عشر شرائح من الأنسجة بالتوازي على شريحة. كما قام الفريق في معهد فراونهوفر IWS بتنفيذ فتحات يمكن من خلالها أخذ عينات للفحص في أي وقت. »علاوة على ذلك، يمكن قياس المعلمات المهمة مثل محتوى ثاني أكسيد الكربون، ودرجة الحموضة، وتركيز الأكسجين بشكل مستمر«، يوضح شميدر. »تقيس المستشعرات المستخدمة لذلك مباشرة في النظام الفيزيولوجي الدقيق ويمكن إعادة استخدامها لمزيد من الفحوصات.«
قدم خبراء معهد فراونهوفر ITEM خبراتهم المتعلقة بشرائح الأنسجة. وقد استخدموا لذلك أدق الشرائح من أنسجة الرئة، كما يوضح البروفيسور أرمن براون، رئيس قسم علم الأدوية والسموم قبل السريرية في معهد فراونهوفر ITEM. »عند إجراء عملية جراحية لمريض مصاب بورم في الرئة، لا يتم استئصال الورم نفسه فحسب، بل يتم أيضًا استئصال الأنسجة السليمة.« ينتج جهاز تقطيع الأنسجة (vibratom) المزود بشفرة حلاقة متذبذبة شرائح رقيقة للغاية من هذه العينات بسماكة 350 ميكرومتر وقطر يبلغ حوالي سنتيمتر واحد. لا تزال هذه الشرائح تحصل على إمدادات جيدة من العناصر الغذائية. بعد وضعها على الشريحة، تظل شرائح الأنسجة حيوية وعملية في النظام الفيزيولوجي الدقيق لفترة طويلة. »وبالتالي يمكننا ملاحظة تفاعل الجهاز المناعي البشري مع الورم«، يضيف براون. جميع الخلايا المناعية ذات الصلة موجودة بالفعل في الشريحة. »وهذا يجعلنا قريبين جدًا من النظام الحقيقي، وأقرب بكثير مما يمكن تحقيقه باستخدام نماذج حيوانية.«
استخدام الأنظمة أيضًا لأبحاث أمراض أخرى
إذًا، كيف يتطور السرطان بالضبط وكيف ينتشر في الجسم؟ نقطة مهمة في هذا الصدد: التمثيل الغذائي في الورم يختلف عن التمثيل الغذائي في الأنسجة الطبيعية. "من المهم للأطباء أن يكونوا قادرين على فحص الظروف التي تجذب النقائل في عضو ما"، يوضح فلوريان شميدر. تركيزات الأكسجين العالية ودرجة الحموضة (pH) حاسمة لذلك. يريد الباحثون في معهد Fraunhofer IWS ضبط ظروف البيئة هذه بشكل أكثر فعالية في الأنظمة الميكروية في المستقبل. "حتى الآن، يمكننا، على سبيل المثال، تغيير محتوى الأكسجين في النظام بأكمله"، يشرح المزيد. التحدي الآن هو تمكين تركيزات أكسجين مختلفة على شريحة لمراقبة رد فعل الخلايا السرطانية والنقائل عليها.
سيكون من المثالي لو أمكن دمج أنواع أنسجة متعددة لمريض واحد. "لكن مثل هذه العينات نادرة للغاية في الواقع"، كما يقول شميدر. ومع ذلك، من الممكن جمع عينات الدم والأنسجة من نفس المريض في النظام. بالاقتران مع أجهزة الاستشعار المختلفة، ينتج عن ذلك قيمة مضافة لم يكن من الممكن تحقيقها من خلال طرق أخرى حتى الآن. هذا يسمح أيضًا باستخدام التكنولوجيا كبديل مفيد للتجارب الحيوانية السابقة. ومع ذلك، للأسف، لا يمكن للبحث الاستغناء تمامًا عن النماذج الحيوانية في الوقت الحالي.
في الوقت نفسه، يعمل فريق Fraunhofer IWS المكون من 15 شخصًا أيضًا على مشاريع تختبر استخدام شرائح الأنسجة لأمراض أخرى. أحد الأمثلة هو التليف. يحدث فيه رد فعل متغير للجهاز المناعي مع الأنسجة، والتي تتصلب بعد ذلك بشكل مرضي وتفقد وظيفتها جزئيًا. هذه العمليات تحد من وظيفة الأنسجة والأعضاء. "نحن نعمل في مشروع FIBROPATHS داخل Fraunhofer على هذه المسألة"، يقول شميدر. يجب توضيح الأنظمة المحددة التي تحتاجها الأنسجة الفردية في المختبر المصغر لزراعتها لفترة أطول.
علاجات جديدة لمرضى السرطان ممكنة
النتائج السابقة حول استكشاف نمو الورم وتكوين النقائل بمساعدة الأنظمة الفيزيولوجية الميكروية تبعث على التفاؤل لدى البروفيسور كريستوف كلاين. "إذا أردنا دراسة الأمراض، فهذه فرصة جديدة ومثيرة للاهتمام تتاح لنا"، كما يقول الطبيب. "إن الفهم الشامل للانتشار النقائلي هو مفتاح طرق علاج جديدة تمنع التكوين اللاحق للنقائل في جسم مرضى السرطان".
يرى فلوريان شميدر إمكانات كبيرة في هذه التكنولوجيا للمستقبل: "سنصبح أكثر نمطية في أنظمتنا". يمكن دمج وحدات مختلفة معًا في المستقبل لإجراء استقصاءات علمية متنوعة.
اقرأ أيضًا:
