يبدو هذا العام واعداً فيما يتعلق بالتطور التقني. من المنتظر أن نشهد تطورات في العديد من المجالات، من اللقاحات إلى حاسة الشم الاصطناعية، ومن علوم الأعصاب إلى مطياف الكتلة. وفي هذا التقرير لمجلة Nature العلمية البريطانية، يصف الباحثون ما يعملون عليه من أدوات وتقنيات تقدم ما هو جديد في تخصصاتهم.
اقرأ أيضاً
1- لقاحات مستقرة حرارياً
نيك جاكسون: رئيس برامج وتكنولوجيا البحوث والتطوير في تحالف ابتكارات التأهب الوبائي (CEPI) في لندن.
في تحالف ابتكارات التأهب الوبائي، التحالف العالمي الذي تأسس عام 2017 لتطوير لقاحات للأمراض المعدية الناشئة، نهتم بتقنيات اللقاحات التي توفر سرعة إثبات سلامة وفاعلية اللقاح، وكيفية تصنيعها على نطاق واسع، وتوصيلها للفئات السكانية الأكثر عرضة للخطر لكي تصبح متاحة للجميع.
وثبُت بالفعل مدى أهمية هذا الأمر خلال جائحة كوفيد-19 المستمرة، من خلال مرور لقاحات الجسيمات النانوية الشحمية بمراحل دراسة التسلسل الجيني، وصولاً إلى التحليل المبكر في زمن قياسي. لم يستغرق الأمر أكثر من أربعة أشهر بداية من دراسة التسلسل الجيني وحتى مرحلة التجارب السريرية الأولى.
ولكن لا يزال هناك مجال للتحسن. الجيل المقبل من الجسيمات النانوية الشحمية المؤينة التي يجري تطويرها الآن تستخدم عملية تعمل على توجيه الجسيمات لاستهداف أنسجة أو أنواع خلايا معينة.
وهناك ابتكارات أخرى تعمل على تحسين قابلية وصول اللقاحات إلى الجميع. بعض التقنيات، على سبيل المثال، تستخدم جزيئات السكر للسماح بالتجميد الجاف الفعال للقاحات دون الإضرار بتركيبة اللقاحات، ما يجعل تخزينها ونقلها أسهل.
اقرأ أيضاً
2- تصوير تجسيمي في الدماغ
أوفر يزهار: عالم أنظمة العلوم العصبية في معهد وايزمان للعلوم
أحدث علم البصريات الوراثي، المتمثل في تقنيات للتحكم في أنشطة خلايا ودوائر معينة بالدماغ، ثورة في علم الأعصاب منذ ظهوره عام 2005. وفي عام 2021، أتوقع أن يكون لتلك الأدوات تأثير أكبر.
باستخدام علم البصريات الوراثي أصبح بإمكان الباحثين تسليط الضوء على نسيج بعينه، ودراسة كل الأعصاب التي تستجيب لذلك الضوء. ولكن في الواقع، أنشطة الدماغ أكثر تعقيداً ودقة بكثير، إذا لا تستجيب الأعصاب إلا لمحفّز معين. ومنذ عام 2005، سمح لنا علم البصريات الوراثي بمعالجة أنواع معينة من الأعصاب، ولكننا لا نزال غير قادرين على التوصل إلى اللغة التي تستخدمها الخلايا العصبية للتواصل مع بعضها البعض.
ولمعالجة هذا القصور، طوّر بعض علماء الأعصاب بروتينات جديدة تستجيب للضوء. سمحت لنا بعض تلك البروتينات المعدلة بتحفيز الأعصاب بدقة أكبر. إلا أن هناك حدوداً لمدى سرعة شعاع الليزر في تنشيط الخلايا العصبية الفردية، ما يفرض قيوداً على مدى مصداقية تصميم أنماط تحفيز تحاكي النشاط العصبي الطبيعي.
وفي نفس الوقت، حقق باحثون آخرون تقدماً في مجال البصريات. وعلى مدار السنوات القليلة الماضية، تطوّر التصوير التجسيمي والأساليب البصرية الأخرى لمعالجة الخلايا العصبية الفردية. ومن خلال تقسيم ضوء الليزر إلى العديد من حزم الأشعة التي تتخذ شكل الخلايا العصبية، أصبح من الممكن الحصول على تصوير تجسيمي لتحفيز الخلايا العصبية بدقة ثلاثية الأبعاد، وفي أنماط زمنية معقدة.
قد يستخرج شعاع الليزر الواحد 10-20 مللي ثانية لتحفيز خلية عصبية، بينما يتيح لك التصوير التجسيمي تحفيز الخلية في أقل من مللي ثانية. ويمكنك كذلك الحصول على العديد من الصور المجسمة ثلاثية الأبعاد في نفس الوقت، أو في تسلسل معين.
3- تطوير أجسام مضادة أفضل
أليشيا تشينوويث: أخصائية العلاج المناعي للسرطان في الكلية الملكية بلندن ورئيسة مؤتمر البحوث الحيوية وهندسة الأجسام المضادة 2021.
تُستخدم الأجسام المضادة في الأغراض العلاجية منذ منتصف تسعينات القرن الماضي. ولكن خلال الأعوام القليلة السابقة، عندما بدأ العلماء يعملون على دراسة تأثير بنية الأجسام المضادة على وظائفها، بدأنا نكتشف إمكاناتها الحقيقية.
معظم علاجات الأجسام المضادة هي مجرد أجسام مضادة عادية غير معدلّة ترتبط بهدف معين، مثل بروتين معين على سطح فيروس أو خلية سرطانية. إلا أن العديد من الأجسام المضادة تصبح غير فعالة في إشراك الخلايا المناعية للتخلص من الجسم المُستهدَف. ومع التقدم الحديث في علم الأحياء الجزيئي، أصبح بإمكاننا تعديل الأجسام المضادة بسرعة لكي تسمح بعمل الجهاز المناعي بشكل أفضل في مكافحة الأمراض.
نستخدم في المختبر الآن استراتيجيتين مختلفتين لفعل ذلك، الأولى باستخدام منصة تمديد البوليمر غير المكتمل (PIPE)، الطريقة السريعة والفعالة للاستنساخ الجزيئي، تمكننا من إدخال طفرات في الأجسام المضادة حتى يصبح من السهل عليهم التفاعل مع الخلايا القاتلة في الجهاز المناعي، وهو ما يزيد من معدل موت الخلايا السرطانية عند تجربتها على سرطان الثدي في الفئران.
والثانية بدأنا فحص الأجسام المضادة بناء على الغلوبيولين المناعي هـ (IgE). معظم الأجسام المضادة المناعية تعتمد بشكل أساسي على الغلوبيولين المناعي ج. عند ذكر الغلوبيولين المناعي هـ، أول ما يخطر على بال الكثيرين ارتباط هذا الغلوبيولين المناعي بردود الفعل التحسسية. ولكن في الواقع يمكن استخدام ذلك لاستهداف الخلايا السرطانية بفاعلية أكبر.
الأمر الجميل في هندسة الأجسام المضادة هو إمكانية استخدامها على أي مرض تقريباً، ما دام لديك شيء ما تستهدفه، لذا بينما نعمل على تطوير أجسام مضادة للخلايا السرطانية، يعمل غيرنا على تطوير أجسام مضادة لعلاج الأمراض المناعية والحساسية، أو المساعدة في التغلب على الأمراض المعدية، مثل كوفيد-19.
4- قوة الخلية الثلاثية
كورال زهو: أخصائية علوم الخلايا والنمو بجامعة كاليفورنيا، ورئيسة مؤتمر بحوث ديناميكيات الكروموسوم 2021.
خلايا الجسم لها العديد من الوظائف المختلفة، بالرغم من أنها مشتقة جميعاً من خلية واحدة ومجموع مورثي (جينوم) واحد. كيف يمكن أن تظهر كل تلك الأنواع المختلفة من خلية واحدة؟
أشعر بالحماس تجاه ثلاث تقنيات جديدة للتسلسل الفردي للخلية، يمكنها مساعدتها في الإجابة عن هذا السؤال في المراحل المبكرة لتطوّر الجنين. الأولى هي Hi-C، طريقة دراسة البنية ثلاثية الأبعاد للمجموع الموروثي، لفحص كروموسومات الأم والأب في خلايا مفردة من أجنة الفئران في مراحل محددة خلال التطور المبكر للجنين. باستخدام هذا الأسلوب، سجل الباحثون أن المحتوى الموروثي للأب لا يختلط مباشرة بعد الإخصاب. ويعتقد الباحثون أن هذا الأمر يعلب دوراً في برمجة التعبير الجيني الخاص بالجنس في مرحلة لاحقة من تطور الجنين. ولكن لا أعتقد أن لدينا التقنية لاكتشاف مثل تلك الأمور في الوقت الحالي.
التقنية الثانية يُطلق عليها CUT&Tag (الانقسام تحت الأهداف والترميز)، وتتبع "علامات" كيميائية حيوية محددة على المحتوى الموروثي لمساعدة العلماء على دراسة كيفية ظهور واختفاء الجينات الوراثة في الخلايا الفردية الحية. بينما التقنية الثالثة، تسلسل SHARE-seq، تجمع طريقتين للتسلسل لتحديد مناطق المحتوى الموروثي التي يمكن وصول جزيئات النسخ النشطة إليها.
باستخدام هذه التقنيات على الجنين في مرحلة التطور يمكننا رسم خارطة توضح الخصائص المعينة في بنية المحتوى الموروثي لتحديد مصير كل خلية أثناء تطور الجنين.
5- أدوات "الإحساس بالقوة"
تاكاناري إينو: أخصائي علوم الخلايا الاصطناعية بكلية الطب جامعة جونز هوبكنز
إلى جانب عوامل النمو والجزيئات الأخرى، تشعر الخلايا أيضاً بالقوة الفيزيائية. ومن الممكن أن يكون الإحساس بالقوة مسؤولاً عن التعبير الجيني، أو الانقسام والتطور، أو حتى الإصابة بالسرطان.
من الصعب دراسة القوة لأننا لا نرى إلا تأثيرها عندما تضغط على شيء ما، يحدث تشوه أو حركة. ولكن الآن باستخدام أداتين متطورتين، يمكن للعلماء استكشاف العلاقات السببية بين القوة الفيزيائية والوظائف الخلوية.
الأداة الأولى، GenEPi، تجمع اثنين من الجزيئات. الأول يُطلق عليه Piezo1، وهو قناة أيونية تنقل أيونات الكالسيوم عبر مسامها عندما تستشعر التوتر على غشاء الخلية. وتُرصد هذه الأيونات بواسطة الجزيء الثاني، الذي يلمع بطريقة أكثر سطوعاً عندما يرتبط بعنصر الكالسيوم.
الأداة الثانية، يُطلق عليها ActuAtor، يستخدم فيها البروتين البكتيري ActA. عندما تغزو البكتيريا خلية لمضيف من الثدييات، يسيطر البروتين ActA على آليات وظائف الخلية لتحفيز بلمرة الأكتين على سطح الميكروب، لتوليد القوة الكافية لدفع البكتيريا عبر السيتوبلازم.
باستخدام أداة ActuAtor، يمكننا تجربة تأثير القوة الفيزيائية على مستوى عميق داخل الخلايا. على سبيل المثال قمنا بتجربة أداة ActuAtor على سطح الميتوكوندريا (المصورات الحيوية)، ما تسبب في تفكك العضيات خلال دقائق. ووجدنا أن تلك الميتوكوندريا المتضررة أكثر عرضة للتحلل عن طريق عملية التحلل الانتقائي، دون أن يكون لذلك تأثير على وظائف الميتوكوندريا الرئيسية مثل تصنيع مركب الطاقة، الأدينوسين ثلاثيُّ الفوسفات (ATP).
في السابق، لم تكن تتوفر أدوات يمكنها العمل على جزيئات معينة بطريقة غير اجتياحية في الخلايا الحية. وإلى حد علمي، تعتبر ActuAtor أول أداة تتيح لنا ذلك.
6- تقنية "مقياس الطيف الكتلي" في التحليلات الطبية
ليفيا إيبرلين: عالمة الكيمياء التحليلية في جامعة تكساس، والمؤسسة والمديرة العلمية لشركة Genio Technologies.
مقياس الطيف الكتلي يمكنه تحليل مئات وآلاف الجزيئات من عينات معقدة بسرعة كبيرة وحساسية عالية. البحوث الطبية الحيوية في هذا المجال تعمل على اتجاهين متناقضين بشكل كبير. بعض العلماء يعلمون على تطوير تقنيات عالية الأداء لفحص الأنسجة البيولوجية بشكل أعمق، بينما يعمل الباحثون في مختبرنا على تبسيط أدوات قياس الطيف الكتلي حتى يتمكن الأطباء من استخدامها لاتخاذ القرارات السريرية.
ومن أمثلة ذلك تمكن مختبرنا من تطوير الأداة الطبية MasSpec Pen، وهي نظام يدوي لقياس الطيف الكتلي تساعد الجراحين على تحديد أنسجة الأورام وحدودها، ويجري اختبار استخدامها حالياً في غرف العمليات.
ونخطط هذا العام لمواصلة تقييم أداة MasSpec Pen على المرضى الذين يخضعون لجراحة إزالة سرطان في الثدي أو المبيض أو البنكرياس.
7- حاسة الشم الاصطناعية
جونغ-هوين لي: عالم خواص المواد في جامعة كوريا، وعضو اللجنة التوجيهية للاجتماع الدولي للمجسّات الكيميائية 2021.
للكشف عن مزيج الغازات الذي قد يشير إلى مخاطر بيئية أو أمراض، يود الباحثون محاكاة حاسة الشم البشرية، لمعرفة ما نستنشق ونشم رائحته. ولكن المجسّات الكيميائية للروائح معقدة للغاية، وتنطوي على رصد خليط لعدة مئات أو حتى آلاف المواد الكيميائية، بتركيزات ضئيلة جداً في كثير من الأحيان.
في مختبرنا، نتبع عدة أساليب لتطوير جيل جديد من حاسة الشم الاصطناعية. يتمثل أحد تلك الأساليب في زيادة تنوع مواد استشعار الغازات باستخدام تصميم ثنائي الطبقة. على سبيل المثال، يمكننا تغطية 10 مواد استشعار مختلفة بـ10 طبقات محفزة من أجل ضبط خصائص استشعار الغاز لكل مادة، ليصبح لدينا إجمالي 100 مجسّ مختلف.
يمكن استخدام تقنية الشم الاصطناعية لأغراض التشخيص الطبي، مثل الكشف عن تركيزات غاز أحادي أكسيد النيتروجين في أنفاس المصابين بالربو. وتتضمن الاستخدامات الأخرى مراقبة تلوث الهواء، وتقييم وجودة الطعام، وغيرهما.