أصبحت ماريتزا روفرز منشئة سقالات مجهرية لأبحاث الدكتوراه الخاصة بها حيث بحثت عن طرق لتجديد وتنمية خلايا العين والأعصاب والنباتات.
جسمك هو أحد أكثر الهياكل الطبيعية تعقيدًا على الإطلاق. يتم تجميع مليارات الخلايا معًا بطريقة محددة وتكون النتيجة أنت. إذا نظرت عن كثب بين الخلايا ستجد المصفوفة خارج الخلية، وهي بيئة تشبه الهلام حيث تتواجد الخلايا وتساعدها على التحدث مع بعضها البعض. ومع ذلك، عندما يضرب المرض، يمكن أن تتضرر الخلايا والمصفوفة على حد سواء بشكل لا يمكن إصلاحه، مما قد يؤدي إلى فقدان وظيفة الخلية. في بحث الدكتوراه الخاص بها، بحثت ماريتزا روفرز في طرق صنع سقالات للخلايا تعتمد على الميكروجيل، والتي يمكن استخدامها لدعم خلايا العين أو حتى تعزيز نمو الأعصاب في إصابات النخاع الشوكي.
يتكون كل شخص على هذا الكوكب من مليارات الخلايا، وهي اللبنات الأساسية لأجسامنا. ويوجد بين هذه الخلايا ما يسمى بالمصفوفة خارج الخلية (ECM)، وهي بيئة تشبه الهلام تعيش فيها الخلايا طوال حياتها.
تقول روفرز، التي دافعت عن أطروحتها للدكتوراه في قسم الهندسة الطبية الحيوية في 17 ديسمبر/كانون الأول: “توفر المصفوفة الاستقرار وتسهل الاتصال بين الخلايا والمصفوفة نفسها”. ومع ذلك، في بعض الأحيان لا يستطيع الجسم إصلاح الضرر، مما يؤدي إلى فقدان وظيفة الخلايا والعضو الذي توجد فيه الخلايا.”
أن تصبح منشئ سقالة
بدافع مساعدة الخلايا على الشفاء بشكل أفضل عند الإصابة بالمرض، قررت روفرز أن تصبح منشئ سقالة لباحث الدكتوراه الخاص بها، حيث قامت بإنشاء هياكل تحاكي هذا ECM المعقد.
يقول روفرز مبتسماً: “لم أقرر بناء الهياكل المعدنية التي تراها حول المنازل قيد الإنشاء”. “بدلاً من ذلك، كان هدفي هو بناء سقالات من وحدات البناء الجزيئية التي تدعم الخلايا البشرية والنباتية، فضلاً عن مساعدتها على النمو.”
لتحقيق مثل هذه السقالات، اتجه روفرز إلى عالم الكيمياء فوق الجزيئية، الذي يستخدم وحدات بناء اصطناعية (تُعرف باسم المونومرات) تتجمع ذاتيًا في شبكات. “الشبكات أو السقالات المتكونة تؤدي إلى الهلاميات المائية ذات الخصائص التي تحاكي ECM.”
ومع ذلك، فإن هذه الهلاميات المائية غالبًا ما تكون كثيفة جدًا أو ضخمة الحجم مع تحكم مكاني محدود. يقول روفرز: “يتم تنظيم ECM الطبيعي بدقة من خلال عمليات على مقاييس طولية مختلفة ولا تستطيع الهلاميات المائية السائبة دائمًا التقاط ذلك. تقدم الهلاميات الدقيقة، باعتبارها لبنات بناء صغيرة للسقالات الأكبر حجمًا، حلاً لتقليد ECM”.
بيئة معيشية خلوية مخصصة. فيديو ماريتزا روفرز “فتح العين”. (اضغط لمشاهدة الفيديو)
أصول ميكروفلويديك
يتضمن إنشاء هذه الجزيئات الصغيرة فوق الجزيئية استخدام الموائع الدقيقة المعتمدة على القطرات، وهي تقنية يتم من خلالها تكوين قطرات صغيرة من الماء داخل الطور الزيتي. في النهاية يتحول هذا إلى ميكروجيل.
يشير روفرز إلى أن “اتباع هذا النهج يسمح بالتعديل الدقيق لخصائص الميكروجيل من خلال تغيير تركيز وحدات البناء والروابط المتشابكة والببتيدات النشطة بيولوجيًا”.
“تشبه وحدات البناء الصغيرة فوق الجزيئية هذه أنواعًا مختلفة من وحدات بناء الجزيئات فوق الجزيئية. باستخدام نفس كتل K’NEX، يمكنك إنشاء مجموعة كاملة من التصميمات المختلفة. إنه نفس الشيء بالنسبة لوحدات البناء فوق الجزيئية – يمكننا إنشاء مجموعة من هياكل، لكل منها أغراض مختلفة تمامًا، لقد عملت على إنشاء كتل بناء صغيرة (ميكروجيل) من هذه الجزيئات التي يمكن استخدامها لأنواع مختلفة من الخلايا.
التطبيقات وفيرة
ما هي أنواع الخلايا التي أرادت الباحثة الشابة مساعدتها في دعاماتها الجديدة؟ حسنًا، مع وجود الكثير من الخبرة في مجال الكيمياء فوق الجزيئية وتطبيقاتها التي يمكن العثور عليها في مختبر باتريشيا دانكرز – مشرفة روفرز، كان لديها الكثير من الزملاء للعمل معهم في تطبيقات مختلفة.
“جنبًا إلى جنب مع زميلتي أنيكا فريهين، قمنا بتوحيد جهودنا البحثية. وعملت أنيكا على مصفوفة اصطناعية بديلة لتصميم بيئة دقيقة يمكن أن تعيش فيها الخلايا من السدى – وهي الطبقة السميكة في القرنية – وتعيش. وقمنا بتغليف الخلايا التي استخدمتها في كبسولاتي الصغيرة لاحظنا أن الخلايا كانت قادرة على الهروب من كبسولاتها الهلامية الدقيقة والتفاعل مع جزيئات وخلايا مجاورة أخرى.”
“بدأت الخلايا في استخدام الهلاميات الدقيقة كوحدات بناء لبناء بنية الأنسجة الخاصة بها. وكان هذا مستقلاً تمامًا، وكانت الخلايا قادرة على تنظيم ذلك بنفسها.”
بالإضافة إلى ذلك، استخدمت روفرز نفس وحدات البناء لإنشاء سقالات ميكروجيل للمساعدة في نمو الخلايا العصبية بعد إصابة النخاع الشوكي وحتى زراعة الخلايا النباتية.
تحدي الخلايا النباتية
بالنسبة لمركبات روفر، كان التحدي الأكبر هو زراعة الخلايا النباتية. “عندما بدأنا، اعتقدنا أن الأمر سيكون سهلاً. على عكس البشر، تنمو النباتات في كل مكان، وإذا قمت بتقليمها، فإنها تنمو مرة أخرى. من الواضح أن هذا ليس هو الحال بالنسبة لجسم الإنسان. ومع ذلك، فقد تبين أن الأمر أكثر صعوبة من المتوقع – كان من الصعب زراعة الخلايا النباتية في المختبر لأنها هشة للغاية.”
في نهاية المطاف، تمكنت روفرز وزملاؤها من جعل الخلايا النباتية تنمو مع المواد ذات الأساس الجزيئي.
“لقد حاولنا أن نظهر أنه على الرغم من أن مجال زراعة النباتات لا يزال بعيدًا عن المثالية، إلا أنه يمكن أن يتعلم الكثير من هندسة الأنسجة الطبية الحيوية والطب التجديدي. والعكس صحيح بالطبع!”
تعلم كيفية التصرف
خلال رحلة الدكتوراه، اكتسبت روفرز العديد من المهارات المعملية الجديدة وتعلمت كيفية العمل بشكل مستقل، لكنها سلطت الضوء على شيء آخر باعتباره أكثر أهمية.
“إن أكبر تغيير رأيته في نفسي هو تعلم التصرف والبدء، بدلاً من الإفراط في التفكير في كل شيء قبل القيام بأي شيء في المختبر. في السنة الأولى من دراستي للدكتوراه، كنت أحاول التخطيط لكل خطوة في المختبر. لكن هذا لا تسير الأمور دائمًا كما هو مخطط لها في المختبر، وفي تلك اللحظات تتعلم كيفية التكيف والتوصل إلى حلول إبداعية المكتب والتخطيط الزائد.”
بالإضافة إلى ذلك، تشير الباحثة إلى أهمية إيجاد التوازن والتخلي عن الأمور الخارجة عن إرادتك. “إن الكمالية أمر جيد في مجال البحث، ولكن لا ينبغي لها أن تهيمن. سأظل أذكر نفسي بذلك لبقية مسيرتي العلمية.”
بعد قضاء أربع سنوات في العمل مع الخلايا، تخطط روفرز لمواصلة تحقيق التقدم في عالم الأشياء الصغيرة. “سأبقى مع مجموعتي البحثية الحالية لفترة قصيرة بعد الدفاع عن نفسي. وبعد ذلك أرغب في السفر إلى الخارج للحصول على وظيفة ما بعد الدكتوراه. ولكن هناك عوامل ليست تحت سيطرتي تمامًا، مثل تأمين المنح. ومع ذلك، فأنا سأبذل قصارى جهدي وأتطلع إلى المستقبل بتفاؤل.”
عنوان رسالة الدكتوراه: هندسة الجزيئات الدقيقة فوق الجزيئية إلى مصفوفات صناعية. للتطبيقات في هندسة الأنسجة البشرية والزراعة الخلوية . المشرفون: باتريشيا دانكرز ومارسيل فان جيندين.
