بعد هندسة خلايا القلب.. الكشف عن آليات عدم انتظام دقات القلب

أصبحت مراقبة معدلات ضربات القلب أسهل اليوم من أي وقت مضى، بفضل الساعات الذكية التي يمكنها استشعار النبض، ل ما يتطلبه الأمر هو تحريك المعصم بسرعة للتحقق من القلب.

لكن مراقبة الخلايا المسؤولة عن معدل ضربات القلب أمر أكثر صعوبة، وهو ما يشجع الباحثين على ابتكار طرق جديدة لتحليلها.

دراسة عدم انتظام دقات القلب

ابتكر جوزيف وو، مدير معهد ستانفورد لأمراض القلب والأوعية الدموية، وأستاذ الطب والأشعة، نموذجًا جديدًا مشتقًا من الخلايا الجذعية لأنسجة القلب يوفر نظرة ثاقبة للحالات التي تنشأ عندما تنبض خلايا القلب.

على وجه الخصوص، يدرس وو اضطرابًا يسمى عدم انتظام دقات القلب، والذي يزيد من معدل ضربات القلب ويمكن أن يؤدي إلى اعتلال عضلة القلب، حيث يفقد القلب قدرته على ضخ الدم بشكل كافٍ لدى الأشخاص الذين لديهم هياكل قلب صحية.

قال باحث ما بعد الدكتوراة، تشينجي تو، الذي ساعد في قيادة العمل: «إن عدم انتظام دقات القلب ربما يكون أكثر شيوعًا مما نعتقد».

وأضاف: «يُعتقد أنه لا يتم تشخيصه بشكل كافٍ لأن زيادة معدل ضربات القلب أمر شائع جدًا في أنواع مختلفة من أمراض القلب، ويتم إخفاؤه».

هندسة خلايا القلب

لدراسة اعتلال عضلة القلب الناجم عن عدم انتظام دقات القلب، قام الباحثون بهندسة خلايا القلب من الخلايا الجذعية البشرية للكشف عن كيفية عمل محرك الجسم عندما يكون في حالة تسارع.

وقال سيمون إتش. سترتزر، أستاذ ومؤلف رئيسي للدراسة: «إن نمذجة اعتلال عضلة القلب الناجم عن عدم انتظام دقات القلب باستخدام أنسجة القلب المشتقة من الخلايا الجذعية البشرية تسمح لنا بفهم تأثير معدلات ضربات القلب السريعة على أجسامنا بشكل أفضل».

تم نشر الدراسة في مجلة Nature Biomedical Engineering.

على عكس معظم أنواع أنسجة الأعضاء، من الصعب للغاية أن تنمو خلايا القلب في المختبر. تميل خلايا قلب المريض المزروعة في طبق إلى عدم التمايز، أو تفقد وظيفتها الأساسية وتفشل في النبض.

وقال تو هو، مولف رئيسي للدراسة: «من الناحية المثالية، عليك أن تأخذ عينات من قلب المريض بعد تشخيص المرض مباشرة، وأثناء المرض وبعد العلاج».

وأضاف: «للتحقق من صحة اكتشافك، تحتاج إلى الكثير من التكرارات لتمنحك قوة إحصائية، ولكن من الناحية السريرية، من المستحيل أخذ العينات بشكل متكرر».

ونظرًا لندرة الأنسجة، قام وو وزملاؤه بزراعة أكثر من 400 عينة من أنسجة القلب من الخلايا الجذعية للنظر في كيفية عمل خلايا القلب، وهي عملية امتدت لأكثر من 4 سنوات.

وقال تو: «إن تصنيع أنسجة القلب المهندسة يختلف تمامًا عن زراعة الخلايا في طبق، والجدول الزمني طويل جدًا».

يستغرق إنتاج خلايا القلب من الخلايا الجذعية نحو أسبوعين؛ ويستغرق تجميعها معًا في نسيج ثلاثي الأبعاد وإنضاجها ما يقرب من شهرين.

استعادة التوازن الكيميائي

باستخدام غرفة سلكية، قام الباحثون بتحفيز الخلايا كهربائيًا، مما أدى إلى عدم انتظام دقات القلب، واختبروا ما إذا كانت الخلايا قادرة على التعافي من عدم انتظام دقات القلب على مدار 10 أيام. خلال الأيام الخمسة الأولى، انخفضت قدرة الخلايا على الانقباض بشكل مستمر إلى نحو 50% من وظيفتها الطبيعية. ولكن بمجرد أن أوقف الباحثون التحفيز الكهربائي، تعافت الخلايا بالكامل خلال 5 أيام.

يتتبع ذلك ما يعرفه الأطباء بالفعل عن اعتلال عضلة القلب الناجم عن عدم انتظام دقات القلب، وهو في الغالب قابل للعكس. عندما يتباطأ معدل ضربات قلب الشخص، تعود وظيفة أنسجة القلب إلى وضعها الطبيعي.

وفي تجربة أخرى، قام الباحثون بتحفيز عدم انتظام دقات القلب في مجموعة مختلفة من أنسجة القلب المهندسة. بعد ذلك، بعد إيقاف التحفيز، قام الفريق بتزويد الأنسجة بـ NAD - وهو جزيء يدعم تفاعلات الطاقة - ورأوا أن وظيفة خلايا القلب تتعافى بسرعة أكبر.

استعادت الأنسجة المكملة 83% من وظيفتها الأصلية بحلول اليوم الأول، بينما أظهرت المجموعة غير المعالجة تحسنًا طفيفًا.

وللتحقق من صحة النتائج التي توصلوا إليها، قام الفريق بمقارنة أنسجة القلب المهندسة مع البيانات البشرية السريرية وبيانات نماذج الكلاب.

وقال تو: «لقد فوجئت بمدى محاكاة أنسجة القلب المهندسة لقلوب الإنسان الحقيقية».

الكشف عن التبديل الجزيئي

أثناء عدم انتظام دقات القلب، قد يواجه القلب صعوبة في ضخ الدم إلى بقية الجسم لأن معدل ضربات القلب السريع يمنع حجرات القلب من الامتلاء والتقلص بشكل كامل.

إذا استمر لعدة أيام أو أسابيع، وهو ما يمكن أن يحدث في الحالات الشديدة، تتوقف الأوعية الدموية عن إمداد أنسجة القلب وبقية الجسم بما يكفي من الأكسجين.

عندما ينبض القلب بشكل طبيعي، يستخدم القلب الدهون كمصدر للطاقة، ولكن تكسير الدهون يتطلب الكثير من الأكسجين. بدون الأكسجين، يتحول مصدر وقود القلب إلى السكر في عملية تسمى إعادة الأسلاك الأيضية. يساهم تبديل الوقود ونقص الأكسجة، أو نقص الأكسجين، في انخفاض نسبة NAD/NADH، وهو ثنائي كيميائي حيوي يساعد في الحفاظ على وظيفة البروتين في أنسجة القلب المعروف باسم SERCA.

وقال تو: «المستويات المتفاوتة من بروتين SERCA تعمل كدواسة الغاز والفرامل في السيارة».

عندما يزيد الباحثون كمية NAD، يتم الضغط على دواسة الغاز في القلب، ويعمل بروتين SERCA على تقوية نبضات الخلايا المهندسة، وعند انخفاضها، تضغط أنسجة القلب المهندسة على المكابح، مما يجعلها تنبض بشكل أضعف.

من خلال إعطاء المرضى NAD من خلال المكملات الجاهزة أو عن طريق الحقن الوريدي، يعتقد الأطباء أنهم قادرون على استعادة التوازن الكيميائي وتسريع تعافي المريض.

إلى جانب ملحق جديد محتمل لمساعدة المرضى على التعافي من عدم انتظام دقات القلب، يوضح البحث أهمية الأساليب الجديدة لنمذجة المرض.

وقال تو: «الآن، هناك حاجة أكبر لنماذج غير حيوانية لتكملة النماذج الحيوانية، يثبت هذا العمل أنه من الممكن وضع نموذج لحالات القلب المعقدة باستخدام نموذج عالمي غير حيواني لدراسة هذا المرض واختبار العلاجات الممكنة».