ابتكار جهاز قابل للزرع لمراقبة الالتهاب بشكل مستمر
صمم علماء جامعة نورث وسترن جهازًا جديدًا قابلًا للزرع يمكنه مراقبة مستويات البروتينات المتقلبة داخل الجسم في الوقت الفعلي.
الجهاز مستوحى من هز الفاكهة من أغصان الشجرة، يتكون الجهاز من خيوط من الحمض النووي تلتصق بالبروتينات، ثم تهزها ثم تلتقط المزيد من البروتينات.
تمكن هذه الاستراتيجية الإبداعية الجهاز من أخذ عينات من بروتينات مختلفة بمرور الوقت لقياس التغيرات في علامات الالتهاب.
وفي تجارب إثبات المفهوم، قامت المستشعرات بقياس المؤشرات الحيوية البروتينية للالتهابات في الفئران المصابة بمرض السكري بدقة وحساسية.
وبحسب موقع ميديكال إكسبريس، يضع هذا العمل الأساس لإدارة الحالات الحادة والمزمنة والوقاية منها في الوقت الفعلي من خلال تتبع البروتينات الحرجة، مثل السيتوكينات في الالتهاب، والمؤشرات الحيوية البروتينية في قصور القلب وغيرها الكثير.
نُشرت الدراسة، التي تحمل عنوان "مستشعرات البروتين النشطة التي تعمل على إعادة الضبط تتيح مراقبة الالتهاب بشكل مستمر في الجسم الحي"، في مجلة ساينس.
وقالت شانا أو. كيلي من جامعة نورث وسترن، التي قادت الدراسة: "تصميم الجهاز مشابه لجهاز مراقبة الجلوكوز المستمر الذي يوضع على ذراعك ويقيس المستويات أسفل الجلد مباشرة".
وأضافت: "يمكنك أن ترى أن مستويات الجلوكوز لديك تتزايد في الوقت الفعلي. ولكن بعد ذلك قد تتناول الأنسولين، فينخفض مستوى الجلوكوز مرة أخرى. يجب أن تكون قادرًا على قياس الاتجاهات في الاتجاه الخاطئ والاتجاهات في الاتجاه الصحيح، الأمر نفسه ينطبق على البروتينات في الالتهاب".
واستكملت: "نحن بحاجة إلى تتبع التقلبات من أجل الحصول على صورة كاملة لما يحدث في الجسم. هذه قدرة جديدة تمامًا - القدرة على مراقبة الالتهاب في الوقت الفعلي. هناك عدد كبير من التطبيقات التي بدأنا الآن في استكشافها".
فكرة عمله
في حين توجد أجهزة استشعار عديدة للكشف المستمر عن الجزيئات الصغيرة، مثل الجلوكوز أو الإلكتروليتات، فإن أجهزة استشعار البروتينات ــ التي هي أكبر حجمًا وأكثر تعقيدًا من الجزيئات الصغيرة ــ أكثر صعوبة في التصميم.
وللكشف عن البروتينات في السوائل البيولوجية، يستخدم العلماء عادة مستقبلات الحمض النووي التي ترتبط بالبروتينات وتسحبها من السوائل البيولوجية.
المشكلة في هذه الاستقبالات هي أنها تعمل بشكل جيد للغاية، حتى مع التجديد السلبي، تكون هذه المرفقات الشبيهة بالفيلكرو قوية لدرجة أنها تتمسك بالبروتينات لأكثر من 20 ساعة، مما يجعل من المستحيل قياس التقلبات في الوقت الحقيقي في الدم.
بعد تجربة العديد من الحلول "لإعادة ضبط" المستشعرات، تلقى حسين زرغارتاليبي، المؤلف الأول للدراسة، الإلهام من مكان غير متوقع: الطبيعة.
قال زارغارتاليبي: "لقد فكرت في كيف أن هز شجرة التفاح، سواء باليد أو مع هبة من الرياح، يجعل التفاح الناضج ينفصل ويسقط".
وأضاف: "لقد أثارت هذه الملاحظة البسيطة فكرة. ماذا لو كان بوسعنا "هز" مستقبلات الحمض النووي على أجهزة الاستشعار الخاصة بنا لإطلاق البروتينات الملتقطة بطريقة مماثلة؟ لقد قمت بتطبيق قطب جهد متناوب، مما تسبب في تذبذب خيوط الحمض النووي، وقد نجح الأمر. انفصلت البروتينات وأعيد ضبط جهاز الاستشعار".
وتبدو أجهزة الاستشعار النانوية وكأنها صفوف من البندولات المنتفخة، يتألف كل منها من حبل مزدوج السلسلة من الحمض النووي.
يرتبط أحد طرفي حبل الحمض النووي بإلكترود، ويرتبط الطرف الآخر بقطعة أخرى من الحمض النووي ترتبط ببروتين مرغوب.
عندما يطبق الباحثون مجالًا كهربائيًا متناوبًا، تتأرجح أجهزة الاستشعار التي تشبه البندول ذهابًا وإيابًا ـ فتقذف البروتينات في غضون دقيقة واحدة فقط وتلتقط بروتينات أخرى.
وقال كيلي: "كان حسين يفكر بطريقة إبداعية للغاية، فتوصل إلى فكرة غير واضحة، ذهب إلى المختبر، وجربها مرة واحدة ونجحت، ثم فعلها مرة أخرى ونجحت. إنه حل بسيط وأنيق للغاية".
وقال زارغارتاليبي: "لقد شعرت بسعادة غامرة، عندما أدركت أن هذه الرؤية الطبيعية أدت إلى تحقيق تقدم كبير".
الوصول إلى تحت الجلد
بعد مشاهدة عمل الجهاز في المختبر، أراد الفريق بعد ذلك معرفة ما إذا كانت المستشعرات تعمل في الحيوانات الحية.
قام الباحثون ببناء جهاز صغير قابل للزرع مع قطب كهربائي ومستشعرات داخل إبرة دقيقة، بعرض ثلاث شعرات بشرية فقط.
يشبه الجهاز جهاز مراقبة الجلوكوز المستمر، حيث يوضع على الجلد خارج الجسم بينما تقوم الإبرة الدقيقة بوخز الجلد لأخذ عينات من السوائل.
صمم الباحثون أجهزة استشعار للارتباط ببروتينين من السيتوكينات، وهما من المؤشرات الرئيسية للالتهاب، ثم قاموا بربط الجهاز بجلد الفئران المصابة بمرض السكري. ولأن مرض السكري والالتهاب مرتبطان ارتباطًا وثيقًا، فإن العديد من المضاعفات المرتبطة بمرض السكري تنجم عن الالتهاب.
وقد نجحت المستشعرات في قياس التغيرات في تركيز كلا البروتينين داخل السائل، وعندما كانت الفئران صائمة أو تلقت الأنسولين، كانت المستشعرات تتعقب مستويات السيتوكين أثناء انخفاضها.
وعلى العكس من ذلك، عندما حقن الباحثون الفئران بمادة تثير الجهاز المناعي، ارتفعت مستويات السيتوكين الالتهابي بسرعة.
كانت أجهزة الاستشعار حساسة للغاية، لدرجة أنه في كل مرة يتلقى فيها فأر حقنة من الأنسولين، كان الجهاز يكتشف ارتفاعًا طفيفًا في الالتهاب حيث تخترق الإبرة الجلد، كما تطابقت القياسات من أجهزة الاستشعار مع الأساليب المختبرية القياسية للكشف عن البروتينات في سوائل الجسم - مما يؤكد نجاح الجهاز.
الإجراء الوقائي النهائي
ورغم أن الجهاز الجديد يعمل بشكل جيد لقياس الالتهاب، فإن كيلي تتصور استخدامه لتتبع العديد من العلامات البروتينية الأخرى، وهي تشير على وجه التحديد إلى قصور القلب، الذي يرتبط ببروتين يسمى الببتيد المدر للصوديوم من النوع ب (BNP).
ويقيس الأطباء الببتيد المدر للصوديوم من النوع ب لتشخيص قصور القلب ومراقبته، ولكن في الوقت الحالي، لا توجد طريقة لتتبع هذا المؤشر باستمرار في الوقت الفعلي.
وقال كيلي: "إذا كنت تعاني من قصور في القلب، فقد تحتاج إلى الذهاب إلى الطبيب كل ثلاثة أشهر، ولكن كما هو الحال مع أغلب الأمراض، تظهر الأعراض بين زيارات الطبيب، فإذا لم يكن المريض يشعر بأنه على ما يرام، فليس من الواضح على الفور أن ذلك يرجع إلى قصور القلب، وباستخدام جهاز مراقبة مستمر، عندما لا يشعر المريض بأنه على ما يرام، يمكن للطبيب أن يستخرج بياناته ويتحقق من مستويات BNP".
وأضاف: "بعد ذلك، يمكن ضبط الأدوية قبل تفاقم الأعراض. ونأمل أن تفيد هذه التكنولوجيا العديد من الناس يومًا ما، على غرار ما حدث مع التأثير الإيجابي لمراقبة الجلوكوز المستمرة اليوم. وقد تكون التدبير الوقائي النهائي".
