تطوير تطبيقات علاجية جديدة باستخدام على microfluidics

اسمي ماميد تونر. أنا متخصص في الهندسة الميكانيكية في الأصل، ثم في الهندسة والعلوم الطبية الحيوية لاحقاً. وأنا عضو في هيئة التدريس في مستشفى ماساتشوستس العام، وكلية الطب بجامعة هارفارد، وقسم العلوم والتكنولوجيا الصحية التابع لجامعتي هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، حيث أبحث في تطبيقات متنوعة للهندسة الطبية الحيوية في الطب؛ وتتراوح هذه التطبيقات بين تحديد خلايا شائعة في الدم بسرعة فائقة، وتغيير فيزيولوجيتها لفهم الحالة الفيزيولوجية لهذه الخلايا في حالة المرض، كما هو الحال في الالتهابات أو الحروق أو المرضى المصابين بإصابات.

ومحاولة فهم استجابة الجهاز المناعي الفطري ومحاولة فهم كيفية تنظيم خلايا الدم للاستجابة الالتهابية في هذه الأنواع من الحالات، والبحث في جينومياتها وبروتينومياتها. في مثل هذه الأمثلة، ما تود القيام به هو عزل هذه الخلايا دون تغيير وظائفها الفسيولوجية ومستويات التعبير الجيني وما إلى ذلك. وبذلك، فإنك تبحث في الفسيولوجيا الطبيعية للمشكلة الأساسية وليس في آثار ناتجة عن عملية التعامل مع الخلايا.

ستشمل التطبيقات الأخرى أجهزة من نوع نقاط الرعاية، مثل رقائق الصحة العالمية التي يمكنها قياس الخلايا المستهدفة لتحديد بدء العلاج، مثل مستوى الخلايا اللمفاوية الموجبة لـ CD four. لذا، نحن نعمل على تطوير رقائق يمكنها العثور على الخلايا الموجبة لـ CD four وعدّها باستخدام تقنية الرقائق الموائعية الدقيقة، وستكون هناك تطبيقات أكثر تعقيداً فيما نسميه الكشف عن الخلايا النادرة. ففي الطب، وتحديداً الطب السريري، نتعامل عادةً مع الخلايا الشائعة ونحاول فهم فسيولوجيا الشخص بناءً على تلك الخلايا.

ولكن في الواقع، فإن العديد من العمليات الفسيولوجية أو المرضية تخضع لسيطرة خلايا أقل شيوعاً بكثير، مثل الخلايا التغصنية، والخلايا الجذعية، والخلايا التنظيمية، أو في حالة السرطان، الخلايا الورمية المتداولة. لذا، لدينا اهتمام بالعثور على الخلايا النادرة التي تحدد في الواقع الاستجابة لمختلف العلاجات، والتي يمكن استخدامها أيضاً في التشخيص. لذا، فإن استخدام الموائع الدقيقة ووضع الخلايا على الرقائق يمثل جانباً واسعاً جداً لعدد من التطبيقات التشخيصية والعلاجية هناك.

ركزت الدراسات المبكرة في الموائع الدقيقة بشكل أساسي على عمليات البناء، مستفيدة من أدوات تقنيات الأنظمة الدقيقة التي تم تطويرها لتطبيقات الدوائر المتكاملة، وتطبيق الأنظمة المصغرة في مفاهيم "المختبر على شريحة"، حيث تم تطوير أنظمة قياس التدفق الخلوي الدقيق، وأنظمة الرحلان الكهربائي الدقيق، وأنظمة الكروماتوغرافيا الدقيقة. ومن خلال دراسات التصغير هذه، تعلمنا الكثير عن كيفية دمج الأنظمة البيولوجية مع الأنظمة الدقيقة. أما ما كان مفقوداً في هذا المجال حتى الآن فهو التطبيقات الرئيسية، أو التطبيقات الناجحة التي يمكن وصفها بأنها تطبيقات ذات تأثير سريري كبير أو تطبيقات رائدة لهذه التقنيات.

لذا، تركز مختبراتنا، لا سيما لوجودنا في مستشفى أبحاث رئيسي، على استكشاف تطبيقات مفيدة وممكنة لهذه التقنيات، وإيجاد مجالات يمكننا من خلالها حل مشكلات لم يكن من الممكن حلها بطريقة أخرى. على سبيل المثال، في حالة مرض الإيدز كأحد تطبيقات الصحة العالمية، يمكن تطوير شريحة منخفضة التكلفة للغاية، تكون قابلة للتخلص منها وتستخدم لعزل الخلايا اللمفاوية الإيجابية من الدم الكامل، وذلك من خلال وخزة إصبع واحدة، وبحيث تتميز بخصائص الرعاية في نقطة تقديم الخدمة. وإذا نجحت هذه التقنية، فسيستخدمها الملايين من الناس.

لذا فإن تصنيع هذه الأشياء، وتوسيع نطاق إنتاجها واستخدامها في تطبيقات عالية التأثير، هو ما ركزنا عليه وعلى الكثير من الآخرين في هذا المجال مؤخراً. ولكن هنا أرى أن هناك تقدماً كبيراً سيحدث في هذا المجال في إيجاد تطبيقات ذات مغزى لهذه التقنيات في الطب السريري والعلوم البيولوجية، حيث يتم أيضاً استكشاف الأدوات نفسها بطرق ذكية للغاية لمعالجة العمليات البيولوجية الأساسية، مثل استقصاء التفاعلات بين الخلايا، وبحث كيفية استجابة الخلايا للإشارات البيئية، والتحكم في البيئة الدقيقة للخلايا والأنسجة بدقة عالية، وهو ما يمكن استخدامه لاحقاً لفهم العمليات الأساسية التي تنظم الاستجابة البيولوجية. ومن تطبيقات ذلك مفاهيم شبيهة بالمكتبات الحية التي نعمل عليها، حيث سيتم وسم الخلايا بنسائل من الخلايا التي تعطي تقارير عن جينات مختلفة، والتي يمكن وضعها في شبكة مائعية دقيقة معقدة للغاية وتعريضها لآلاف الظروف المختلفة في تجربة واحدة.

ويمكنك مراقبة التعبير الجيني في الوقت الحقيقي لهذه الخلايا المميزة بـ spec، حيث تم تمييز مستنسخات مختلفة بجينات مختلفة. ومن وجهة نظري، تكمن إحدى أكبر القضايا الجوهرية في هذا المجال في كيفية ترجمة بعض نتائج العلوم الأساسية أو هذه التقنيات المتطورة، إذا جاز التعبير، إلى علاجات جديدة أو تطبيقات بيولوجية ذات مغزى، فهو مجال متعدد التخصصات للغاية.

أنت بحاجة إلى مهندسين، وفيزيائيين، وبيولوجيين، وعلماء بيولوجيا عصبية، وذلك حسب التطبيقات. لذا فإن سد الفجوة بين التخصصات كان، من وجهة نظري، أحد أكبر التحديات. فقد تمت معظم الاكتشافات المبكرة من قبل مهندسين وفيزيائيين دون تدريب جيد أو فهم كافٍ للمشكلات البيولوجية.

ولكن في الآونة الأخيرة، وجد علماء الأحياء أيضاً أن هذه الأدوات مثيرة للاهتمام، كما أن الفجوات بين هذه التخصصات المختلفة بدأت تتقلص بشكل ملحوظ خلال السنوات الأخيرة، وذلك بسبب الاهتمام المتزايد سواء من جانب علماء الأحياء أو من جانب المجموعات متعددة التخصصات، مثل مجموعتنا، التي تستكشف تطبيقات هذه الأدوات في الطب السريري وعلم الأحياء. وبالنسبة لي، فإن هذا الجانب متعدد التخصصات يعد أحد القضايا الرئيسية التي تؤثر على ترجمة هذه الأفكار وتطبيقها، أما الجانب الآخر فهو الجسر الرابط بين الأوساط الأكاديمية والصناعة.

يتم توليد العديد من هذه الأفكار في الأوساط الأكاديمية، ولكنها تكون معقدة للغاية وتتضمن خلايا وعمليات بيولوجية معقدة، كما تشمل قضايا هندسية وتصنيعية وتعبئة وتغليف معقدة. لذا فإن ترجمة هذه التقنيات إلى تسويق تجاري هي أمر يتطلب اهتماماً بالغاً، ويقع جزء من هذا العبء على عاتق القطاع الصناعي.

إن كيفية تحقيق اختراقات جوهرية في الصناعة ليست عملية بسيطة، خاصة عندما يتعلق الأمر بالدراسات السريرية والعينات البيولوجية. لذا، وبالإشارة إلى هاتين المسألتين، فإن الطبيعة متعددة التخصصات لهذا المجال وعملية الانتقال من الأكاديميا إلى الصناعة قد تكونان العقبتين الرئيسيتين اللتين نحتاج إلى معالجتهما في السنوات القادمة. ومع ذلك، هناك العديد من المجموعات التي تعمل على هذه القضايا، وأرى مستقبلاً واعداً للغاية لتطبيقات ما أسميه التقنيات الضئيلة، أي التقنيات الميكروية والنانوية في الطب والبيولوجيا.