ابتكارات تُمهد لجيل جديد من الروبوتات الطبية الدقيقة

قادرة على الوصول للأوعية الدموية الدقيقة والجهاز العصبي

الروبوتات الطبية أصبحت مهمة في الجراحات الدقيقة (بابليك دومين)
الروبوتات الطبية أصبحت مهمة في الجراحات الدقيقة (بابليك دومين)
TT

ابتكارات تُمهد لجيل جديد من الروبوتات الطبية الدقيقة

الروبوتات الطبية أصبحت مهمة في الجراحات الدقيقة (بابليك دومين)
الروبوتات الطبية أصبحت مهمة في الجراحات الدقيقة (بابليك دومين)

مع تقدم التكنولوجيا الطبية، أصبح تنفيذ العمليات الجراحية المُعقدة حقيقة واقعة. وبفضل التقنيات الجديدة، مثل الروبوتات الطبية، امتلك الجراحون القدرة على الوصول لمناطق كان يصعب الوصول إليها سابقاً، وباتوا ينفذون جراحات دقيقة مثل جراحات المخ والأعصاب والقلب والعظام. لكن هذا ليس نهاية المطاف، فهناك مجال واعد آخر، وهو روبوتات طبية دقيقة، وهي روبوتات صغيرة للغاية، قادرة على التحرك في مساحات ضيقة؛ ما يجعلها مثالية لأماكن يصعب الوصول إليها جراحياً مثل الأوعية الدموية الدقيقة والجهاز العصبي.

ويمكن لهذه الروبوتات أن تساعد في توصيل الأدوية والعلاجات إلى مناطق معينة من الجسم، مثل الأورام أو الخلايا المريضة، بالإضافة إلى إزالة الخلايا أو الأنسجة المريضة، مثل الأورام أو الخلايا السرطانية.

صورة 1- باحثون نجحوا في توجيه ونقل الروبوت الصغير عبر متاهة (جامعة واترلو)

روبوتات ناعمة صغيرة

تتمتع الروبوتات الناعمة الصغيرة وهي روبوتات دقيقة جداً وقابلة للطي، بالقدرة على تنفيذ الإجراءات الطبية، مثل الخزعة، ونقل الخلايا والأنسجة، بطريقة طفيفة التوغل. وهناك طرق عدة لتحريك والتحكم في هذه الروبوتات، أبرزها التحكم عن بُعد باستخدام مجال مغناطيسي أو ضوء أو موجات صوتية. ولا تزال الروبوتات الناعمة الصغيرة قيد التطوير، وفي محاولة لخروج تلك الروبوتات إلى النور، ابتكر فريق من الباحثين في جامعة «واترلو» الكندية، مواد ذكية متقدمة قالوا إنها ستكون بمثابة اللبنات الأساسية لجيل مستقبلي من الروبوتات الطبية الدقيقة، ونشرت النتائج في عدد 23 أكتوبر (تشرين الأول) 2023 في دورية «نيتشر كومينكيشنز». وأوضح الباحثون أن المادة المبتكرة عبارة عن مركبات هيدروجيل متقدمة تتضمن جزيئات السليلوز النانوية المستدامة المشتقة من النباتات، ويمكن استخدامها كوحدة بناء للأجيال القادمة من الروبوتات صغيرة الحجم.

والهيدروجيل أو الهلام المائي، هو بوليمر متشابك لا يذوب في الماء، إذ إنه شديد الامتصاص، لكنه يحافظ على هياكل محددة جيداً، وتدعم هذه الخصائص العديد من التطبيقات، خاصة في المجال الطبي الحيوي. وأضاف الباحثون أن طول الروبوتات الناعمة الصغيرة المعتمدة على تلك المادة، يبلغ سنتيمتراً واحداً كحد أقصى، وهي متوافقة بيولوجياً مع الجسم وغير سامة.

وطور فريق البحث الذي قاده الدكتور حامد شاهسافان، الأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية جامعة «واترلو»، منهجاً شاملاً لتصميم الروبوتات الدقيقة وتوليفها وتصنيعها ومعالجتها. وفي حديث لـ«الشرق الأوسط»، شرح شاهسافان هذا النهج الذي يتركز على 4 عناصر أساسية، أولها أن هذه الهلاميات المائية تستجيب للمحفزات الخارجية، ما يعني أنها تتأثر عند تعرضها للتغير في درجة الحرارة البيئية والملوحة والحموضة. ثانياً، يتميز الهيدروجيل بالالتئام الذاتي، بحيث يمكن لصق الأجزاء المختلفة من المادة دون الحاجة لمواد لاصقة. ثالثاً، يحتوي الهيدروجيل على جسيمات نانوية تشبه القضبان من بلورات السليلوز النانوية، التي، بتركيز معين، يمكن أن تخلق طوراً بلورياً سائلاً وتكون موجهة جيداً في اتجاهات مختلفة، ما يسهل عملية التحكم بها. وأخيراً الهيدروجيل غير السام.

استخدامات متعددة

وعن الخطوة التالية في هذا البحث، أشار شاهسافان إلى أن الفريق يتطلع إلى تقليص حجم الروبوتات وجعلها «أقل مليمترية». كما يطمح الفريق لاستخدام المادة المبتكرة مثل حبر لإجراءات الطباعة ثلاثية الأبعاد المختلفة، واستخدام التركيبات الناعمة المصنوعة من هذه المواد كروبوتات وأجهزة طبية حيوية صغيرة الحجم لتطبيقات العالم الحقيقي. وأوضح أنه يمكن استخدام هذه المادة مثل حبر لإنشاء المحركات اللينة والروبوتات بمقاييس مختلفة باستخدام تقنيات التصنيع المضافة المختلفة.

وتعد الدكتورة فيرونيكا ماجدانز، الأستاذة المساعدة في هندسة تصميم الأنظمة بجامعة واترلو الكندية، بأن تشكل الروبوتات الطبية الدقيقة تغيراً كبيراً في المجال الطبي.

وعن كيفية تغيير تجربة العلاج بالنسبة لمرضى السرطان أو الكلى، وهل سيزيد معدل نجاح علاجات الخصوبة إذا تمكن المتخصصون من توجيه الحيوانات المنوية الحية مباشرة إلى الموقع الأكثر ملاءمة، تقول ماجدانز: «سر الإجابة عن هذه الأسئلة وغيرها يكمن في الروبوتات الطبية الدقيقة».

يركز عمل ماجدانز على الهندسة الطبية الحيوية. وقد انضمت أخيراً إلى فريق معهد لايبنتز لأبحاث الحالة الصلبة والمواد في ألمانيا، حيث طور الباحثون روبوتات صغيرة مصنوعة من البلاتين والحديد يمكنها التحرك بسرعة بفضل التفاعلات التحفيزية التي يغذيها بيروكسيد الهيدروجين.

كما قامت بتطوير روبوتات صغيرة يمكن التحكم فيها مغناطيسياً لمختلف التطبيقات الطبية والبيئية والتصنيعية. تقول ماجدانز: «تم تشخيص إصابة أخي بسرطان الدم عندما كان عمره أربع سنوات فقط. إن رؤية مدى تأثير الآثار الجانبية للعلاج الكيميائي التقليدي عليه جعلتني أدرك أننا بحاجة إلى إيجاد طرق أفضل لعلاج السرطان».

وليست العلاجات الطبية هي المجالات الوحيدة التي يبشر فيها تطبيق الروبوتات الصغيرة بتطور كبير، بل إن حجمها الصغير يجعلها مثالية للتطبيقات البيئية مثل استشعار الملوثات في مياه البحر، ويمكن استخدامها أيضاً في التصنيع والأتمتة للمساعدة في مهام مثل تجميع الأجزاء عن بعد، وفق ماجدانز.



سرطان الأمعاء يشغّل ويوقف «مفاتيح جينية» للتهرب من جهاز المناعة

سرطان الأمعاء يشغّل ويوقف «مفاتيح جينية» للتهرب من جهاز المناعة
TT

سرطان الأمعاء يشغّل ويوقف «مفاتيح جينية» للتهرب من جهاز المناعة

سرطان الأمعاء يشغّل ويوقف «مفاتيح جينية» للتهرب من جهاز المناعة

تتعمّق دراسة جديدة في الآليات التي تستغل بها الخلايا السرطانية الطفرات الجينية للتهرب من جهاز المناعة، مع التركيز على الطفرات في جينات إصلاح الحامض النووي (دي إن إيه) التي تعمل بصفتها مفاتيح للتحكم في معدلات الطفرات داخل الخلايا السرطانية. وهذا ما يسهّل نمو الورم والتهرب المناعي؛ إذ يمكن للسرطان إنشاء تلك الطفرات وإصلاحها بشكل متكرر، لتكون بمثابة «مفاتيح جينية» تعمل على كبح نمو الورم أو عدم كبحه اعتماداً على ما هو أكثر فائدة لتطور السرطان.

قانون التوازن التطوري

وكان يُعتقد سابقاً أن عدد الطفرات الجينية في الخلية السرطانية يرجع إلى الصدفة البحتة. لكن الدراسة الجديدة التي نُشرت في مجلة «نتشر جينتكس» (Nature Genetics) في 3 يوليو (تموز) 2024 قدّمت نظرة ثاقبة حول كيفية تعامل السرطان مع عمل «التوازن التطوري»، الذي يعني أن الخلايا السرطانية تستغل آليات إصلاح الحامض النووي المعيبة لتعزيز نمو الورم. ولكنها تعود مرة أخرى إلى وضع الإصلاح لحماية المناطق الجينومية الأساسية والتهرب من جهاز المناعة؛ إذ تتمتع خلايا سرطان الأمعاء بالقدرة على تنظيم نموها باستخدام مفتاح التشغيل والإيقاف الجيني لزيادة فرص بقائها على قيد الحياة إلى أقصى حد. وهي ظاهرة لُوحظت لأول مرة من قبل الباحثين في جامعة «كاليفورنيا» في لوس أنجليس في الولايات المتحدة و«المركز الطبي الجامعي» في أوتريخت بهولندا.

سرطان الأمعاء

السرطان هو مرض وراثي ناجم عن طفرات في الحامض النووي لدى البشر؛ إذ يحدث تلف الحامض النووي طوال الحياة سواء بشكل طبيعي أو بسبب العوامل البيئية.

وللتغلب على ذلك طوّرت الخلايا السليمة استراتيجيات لحماية سلامة الشفرة الوراثية. ولكن إذا تراكمت الطفرات في الجينات الرئيسية المرتبطة بالسرطان يمكن أن تتطور الأورام. ويُعد سرطان الأمعاء رابع أكثر أنواع السرطان شيوعاً في المملكة المتحدة؛ إذ يحدث نحو 43 ألف حالة سنوياً.

وعلى الرغم من أنه لا يزال سرطاناً يصيب كبار السن في الغالب فإن الحالات بين الأشخاص الذين تقل أعمارهم عن 50 عاماً تزايدت في العقود الأخيرة.

«مفاتيح جينية»

تسلّط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لجينات إصلاح الحامض النووي خصوصاً جينات «MSH3» و«MSH6» في تعديل معدلات الطفرة. ووُجد أن الطفرات في هذه الجينات ترتبط بحجم كبير من الطفرات في الأورام؛ ما يشير إلى أن هذه المفاتيح الجينية يمكن أن تؤثر بصفة كبيرة على سلوك الورم.

واكتشف الباحثون أن طفرات إصلاح الحامض النووي هذه تعمل بمثابة «مفاتيح جينية». ومن خلال تشغيل آليات الإصلاح وإيقافها يمكن للخلايا السرطانية إدارة معدلات الطفرات الخاصة بها؛ لتعزيز النمو عندما يكون مفيداً، وقمعه لتجنب الكشف المناعي، وهذه الآلية تتيح للأورام تحقيق التوازن بين الطفرة السريعة للتطور والحفاظ على معدل طفرة منخفض بدرجة كافية لتجنب إثارة استجابة مناعية.

التهرب المناعي

وقال الدكتور مارنيكس يانسن، كبير مؤلفي الدراسة من معهد «UCL» للسرطان في جامعة «كوليدج لندن» بالمملكة المتحدة، إن قدرة الخلايا السرطانية على تعديل معدلات الطفرة بشكل مباشر تؤثر في تهربها من جهاز المناعة. ويمكن لمعدلات الطفرات المرتفعة أن تولد مستضدات جديدة تجذب الخلايا المناعية، ولكن من خلال التحكم في هذه المعدلات يمكن للأورام تقليل ظهورها لجهاز المناعة، وبالتالي تجنّب المراقبة المناعية وتدميرها. وهذه الآلية لها آثار كبيرة في العلاج المناعي، نظراً لأن العلاجات المناعية غالباً ما تستهدف الأورام شديدة التحور؛ لذلك فإن فهم كيفية تنظيم الأورام لمعدلات الطفرات الخاصة بها يمكن أن يساعد في التنبؤ بفاعلية هذه العلاجات.

وتشير الدراسة إلى أن استهداف هذه المفاتيح الجينية قد يعزّز فاعلية العلاجات المناعية عن طريق منع الأورام من تقليل معدلات الطفرات الخاصة بها لتجنب الكشف المناعي.

تحليل العينات

هناك نحو 20 بالمائة من حالات سرطان الأمعاء تكون ناجمة عن طفرات في جينات إصلاح الحامض النووي، في حين أن هذه الطفرات تساعد الأورام على النمو من خلال السماح بتغييرات جينية سريعة، فإنها تجعل الورم أكثر قابلية للاكتشاف بوساطة الجهاز المناعي، بسبب اختلافه عن الخلايا الطبيعية. والطفرات في جينات «MSH3» و«MSH6» لها أهمية خاصة ترتبط بالحجم الكبير للطفرات في الأورام. ولأجل التحقق من صحة النتائج التي توصلوا إليها استخدم الباحثون نماذج خلايا معقدة تُعرف باسم «العضيات» organoids التي تمت زراعتها في المختبر من عينات ورم المريض؛ إذ ساعدت هذه النماذج في إثبات التأثير الوظيفي لطفرات إصلاح الحامض النووي على معدلات الطفرة والتهرب المناعي.

الفوضى الجينية

وقال الدكتور حمزة كايهانيان، المؤلف الأول للدراسة من معهد «UCL» للسرطان، إنه كان يُعتقد سابقاً أن درجة الفوضى الجينية في السرطان ترجع فقط إلى تراكم الطفرات بالصدفة على مدى سنوات كثيرة.

لكن الخلايا السرطانية تمكنت من إعادة توظيف هذه المساحات المتكررة في الحامض النووي سراً، مثل مفاتيح تطورية لضبط مدى سرعة تراكم الطفرات في الخلايا السرطانية.

ومن المثير للاهتمام أنه تم العثور على هذه الآلية التطورية سابقاً بصفتها محركاً رئيسياً لمقاومة العلاج المضاد للبكتريا لدى المرضى الذين عُولجوا بالمضادات الحيوية، مثلها مثل الخلايا السرطانية، فقد طوّرت البكتيريا مفاتيح وراثية تزيد من تكرر الطفرات عندما يكون التطور السريع هو المفتاح عند مواجهة المضادات الحيوية.

وبالتالي فإن نتائج الدراسة تؤكد بشكل أكبر أوجه التشابه بين تطور البكتيريا والخلايا السرطانية البشرية، وهو مجال رئيسي لأبحاث السرطان النشطة. وأخيراً، توفر دراسة مفاتيح التشغيل الجينية التي تدعم عملية التهرب المناعي للسرطان رؤى جديدة حول الاستراتيجيات التكيفية للخلايا السرطانية، من خلال الاستفادة من المفاتيح الجينية في جينات إصلاح الحامض النووي؛ إذ يمكن للأورام ضبط معدلات الطفرات الخاصة بها لتحقيق التوازن بين النمو والتهرب المناعي.

وهذا الاكتشاف يفتح آفاقاً جديدة لتعزيز علاج السرطان خصوصاً من خلال تطوير علاجات تستهدف هذه المفاتيح الجينية لتحسين فاعلية العلاج المناعي.