سرعة الدوران التي تفوق سرعتها سرعة الصوت تسرع عزل الخلايا

العديد من الأمراض الأكثر تدميراً تشبه الصناديق السوداء للعلم. على سبيل المثال، تنجم معظم الوفيات الناجمة عن السرطان عن سلالة من المرض تنتشر في جميع أنحاء الجسم، تغذيها الخلايا السرطانية القليلة القادرة على البقاء على قيد الحياة أثناء السفر إلى أجزاء مختلفة من الجسم وتشكيل نمو جديد. لكن علماء الأحياء لا يعرفون سوى القليل نسبيًا عن كيفية عمل هذه الخلايا العدوانية، مما يعيق معرفة تطور السرطان ومقاومته.

علم الأورام ليس هو المجال الوحيد الذي يسعى للحصول على معلومات قيمة حول الخلايا النادرة، إذ تتطلب المجالات بما في ذلك البيولوجيا التطورية، وعلم المناعة، وبيولوجيا الخلايا الجذعية، وعلم الأعصاب، والأمراض المعدية، دراسة الخلايا الفردية. ومن خلال النظر إلى الخلايا واحدة تلو الأخرى بدلاً من النظر إليها بكميات كبيرة، يستطيع الباحثون الكشف عن تركيبها الجيني وسلوكها الفريد، ومراقبة السمات الدقيقة ولكن المؤثرة التي قد تكون مخفية لولا ذلك.

ويقول الخبراء إن مفتاح تحقيق الاختراقات في كل هذه المجالات واضح: تكنولوجيا أفضل لتسلسل الخلية الواحدة.

ولدراسة الخلايا النادرة، يحتاج الباحثون إلى فصل الخلايا الفردية عن كتل كبيرة من الأنسجة البشرية، لكن القيام بذلك يهدد قدرة الخلايا نفسها التي يأملون في تحليلها على البقاء. غالبًا ما تقوم التقنيات الحالية لعزل الخلايا بذلك عن طريق قطع قطع صغيرة من قطعة نسيج أكبر باستخدام مشرط أو ماكينة حلاقة، مما قد يؤدي إلى إتلاف الخلايا بحيث لا يمكن دراستها بشكل صحيح. تستخدم الطرق الأخرى الإنزيمات لعزل الخلايا، لكن هذه الإجراءات تستغرق وقتًا طويلاً ويمكن أن تهدد خصائص الخلية المفيدة. تقول كاتالين سوسزتاك، التي تدرس أمراض الكلى المزمنة في جامعة بنسلفانيا: “بالنسبة لأنواع الخلايا النادرة، فإن كل خسارة صغيرة لها أهميتها”.

الارتفاع فوق الصوتي في عزل الخلايا

تعتمد طريقة جديدة لعزل الخلايا وتعليقها، تسمى الرفع والغزل الفائق السرعة (HLS)، على الرنانات الصوتية وتكنولوجيا الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) لتحقيق اختراقات في علم الأحياء. ووجدت المجموعة المسؤولة عن تطوير هذه الأداة من جامعة تيانجين في الصين أن الأداة قادرة على عزل المزيد من الخلايا في وقت أقل بكثير من التقنيات التقليدية.

يستخدم HLS مسبارًا معدنيًا لنقل مليارات الاهتزازات في الثانية إلى خليط مائي يحيط بأنسجة السرطان البشرية في مختبر الأبحاث. تقوم “النفاثات السائلة” الناتجة بتقشير خلية سرطانية واحدة بعيدًا عن آلاف الخلايا الأخرى في قطعة الأنسجة، وهي عملية خالية تمامًا من التلامس. يتم تثبيت الخلية في مكانها بواسطة نفاثات سائلة – معلقة في السائل ولكنها حرة في الدوران بأي درجة – مما يسمح بالتحليل البصري الكامل من كل زاوية باستخدام الفحص المجهري المتقدم.

شرع شيوكسين دوان، الذي يقود مجموعة جامعة تيانجين، وزملاؤه في اختراع أداة لا تقلل فقط من التهديد الذي تتعرض له الخلايا أثناء عملية العزل، بل تسرع العملية برمتها. لقد بدأوا بالنظر إلى حقيقة أن الخلايا الحية عادة ما تكون محاطة بالمياه. “لقد تساءلنا: هل يمكننا استخدام مجال فيزيائي مضبوط بدقة داخل السائل نفسه ليكون بمثابة يد لطيفة وغير مرئية؟” يقول دوان.

لقد توصلوا إلى مسبار صغير بالموجات فوق الصوتية عالي التردد يستخدم ثلاثة رنانات تعتمد على MEMS لاهتزاز الأنسجة في محلول الماء والإنزيم. عند تشغيل الجهاز، يتم توليد إشارة عند 2.49 جيجاهيرتز لتنبيه لوحة الدائرة المطبوعة لإرسال جهد عالي التردد. بمجرد وصول الجهد إلى رنانات MEMS، يتم تشغيل تأثير كهرضغطية معكوس، مما ينتج عنه مليارات الاهتزازات في الثانية التي تولد موجات صوتية في السائل المحيط.

يقوم عاكس أسفل كل مرنان بعكس الموجات بنمط معين، مما يتسبب في بدء خليط إنزيم الماء بالتدفق والدوران بسرعة، مما يؤدي إلى إنشاء نفاثات سائلة قوية بما يكفي لإزالة خلية واحدة من كتلة من الأنسجة، ولكنها لطيفة بما يكفي للقيام بذلك دون تدهور. بمجرد عزل الخلية، تسمح لها نفس الآليات الصوتية بالطفو والدوران بحرية في السائل.

في حين أن الكثير من التصميم فريد من نوعه، فإن HLS يعد بمثابة تحسين أكثر من كونه جهازًا جديدًا تمامًا. يقول ز. هيو فان، الباحث في النظم الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) الطبية الحيوية والموائع الدقيقة في جامعة فلوريدا: “لقد تم استخدام طريقة الرفع هذه من قبل في أنواع أخرى من العمل”. ويقول إن HLS “يعد تحسنًا وليس تغييرًا جذريًا”. ومع ذلك، يعتقد فان أن الأداة تظهر إمكانات جدية.

واختبر الباحثون في جامعة تيانجين أجهزتهم على عينات من أنسجة سرطان الكلى البشرية. وباستخدام HLS، تمكنت المجموعة من عزل 90% من الخلايا في 15 دقيقة، لكنها لم تتمكن من فعل الشيء نفسه إلا لـ 70% من الخلايا في ساعة واحدة باستخدام الطرق التقليدية. يقول دوان إن أداء HLS كان جيدًا لأنه يساعد الإنزيمات على اختراق الأنسجة وتفكيك الخلايا “دون الحاجة إلى طحن ميكانيكي قاس أو التعرض الأنزيمي لفترة طويلة”.

مخاوف بشأن HLS في أبحاث الخلية الواحدة

أكبر مخاوف سوسزتاك من جامعة بنسلفانيا هو أن HLS قد يشكل تهديدًا للخلايا الحساسة للترددات العالية. وتقول: “حتى الاضطرابات الطفيفة مهمة في عمل الخلية الواحدة”. “هل ستؤثر المجالات الصوتية على الكيمياء الحيوية للخلية؟”

ويدعي دوان أنه واثق من أن تصميم فريقه آمن للخلايا الهشة لأنها تتعرض لقوة خاضعة للرقابة، وليس للموجة الصوتية الخام. “إن مجال القوة المكثف هذا يقتصر على السائل، وليس الخلية مباشرة.”

الخبراء الخارجيون لديهم المزيد من المخاوف بشأن التنفيذ. ويشير سوسزتاك إلى أن “المختبرات البيولوجية لا ترحم”، لذا يجب أن تكون أدوات البحث موثوقة وقوية، وتميل أجهزة MEMS الموجودة في السوائل إلى مواجهة مشكلات الانحراف والمعايرة. التكلفة وسهولة الوصول تثير قلق فان، على الرغم من أنه يعتقد أنه يمكن حل كلتا القضيتين من خلال جهود الأعمال. ويقول: “إن مدى انتشارها يعتمد في الواقع على التسويق التجاري”.

لهذه الأسباب وغيرها، يقول دوان إن فريقه قام بتحويل HLS إلى شركة ناشئة – Convergency Biotech – بهدف تطوير محطات عمل HLS سهلة الاستخدام بدرجة كافية لأي مختبر. وهو متفائل بشأن المشروع. ويقول: “نعتقد أن الأدوات الصوتية المعتمدة على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ستصبح عنصرًا رئيسيًا في مجموعة الأدوات البيولوجية”.

يُظهر الباحثون في مجال الخلية الواحدة تفاؤلًا مماثلًا، ولكن مع الحذر. تعتبر سوسزتاك أن HLS “أداة ذكية ذات وعد حقيقي”، كما تقول، “لكن يجب أن تثبت نفسها في عالم البيولوجيا الحقيقي الفوضوي”.