خلية اصطناعية

الخلية الاصطناعية أو الخلية الصغيرة جسيم معدّل هندسيًا يحاكي واحدة أو عدة وظائف للخلية البيولوجية. لا يشير المصطلح إلى كيانٍ مادي معين، بل يشير إلى فكرة أن وظائف أو تراكيب معينة للخلايا البيولوجية يمكن استبدالها أو تعويضها بكيان اصطناعي. غالباً، تكون الخلايا الاصطناعية عبارة عن أغشية بيولوجية أو بوليمرية تحيط بمواد نشطة بيولوجياً. لذا، صنفت الجسيمات النانوية، الجسيمات الشحمية، الجسيمات الشحمية البوليمرية، الكبسولات الدقيقة وعدد من الجسيمات الأخرى كخلايا اصطناعية. يسمح التغليف الدقيق بالتمثيل الغذائي داخل الغشاء وبتبادل الجزيئات الصغيرة ومنع مرور المواد الكبيرة عبره. تشمل المزايا الرئيسية للتغليف تحسين التكيف داخل الجسم وزيادة الذوبانية للمحتويات الداخلية وانخفاض الاستجابة المناعية. بشكل ملحوظ، أظهرت الخلايا الاصطناعية نجاحاً عملياً في الإرواء الدموي.[1][2][3]

في مجال البيولوجيا التركيبية، عرفت الخلية الاصطناعية «الحية» بأنها خلية مبتكرة بالكامل يمكنها التقاط الطاقة والحفاظ على تدرجات الأيونات، تحتوي على جزيئات كبيرة إضافةً لتخزين المعلومات والقدرة على التطور. ليست خلية كهذه مجدية تقنياً بعد، لكن أنشئ نوع مختلف من الخلايا الاصطناعية من خلال إدخال جينوم صناعي بالكامل في خلية مضيفة خالية جينومياً. ومع أنه ليس مصطنعاً بالكامل لأن المكونات السايتوبلازمية وكذا الغشاء يحتفَظ بها من الخلية المضيفة، فإن الخلية المهندسة تخضع لسيطرة الجينوم الاصطناعي ويمكنها التكاثر.[4][5]

لمحة تاريخيةعدل

طوّر توماس تشانغ أول خلايا اصطناعية في جامعة ماكجيل في الستينيات من القرن التاسع عشر. تتكون هذه الخلايا من أغشية فائقة الرقة من النايلون والكولوديون أو البروتين المتشابك الذي تسمح خواصه شبه النفاذة بانتشار الجزيئات الصغيرة داخل وخارج الخلية. كانت الخلايا بحجم الميكرون ومحتوية على خلايا وإنزيمات وهيموغلوبين ومواد مغناطيسية وعازلات وبروتينات.[6]

تراوحت أبعاد الخلايا الاصطناعية اللاحقة بين المئة مايكرومتر إلى النانومتر ويمكنها احتواء الكائنات الحية الدقيقة واللقاحات والجينات والأدوية والهرمونات والببتيدات. استخدمت الخلية الاصطناعية لأول مرة سريرياً في الإرواء الدموي من طريق كبسلة الكربون المنشط.[7]

في السبعينيات من القرن التاسع عشر، تمكن الباحثون من إدخال الإنزيمات والبروتينات والهرمونات إلى الكبسولات الدقيقة القابلة للتحلل حيوياً، مؤديةً لاحقًا إلى استخدامها سريرياً في أمراض كمتلازمة ليش نيهان. مع أن أبحاث تشانغ الأولية ركزت على خلايا الدم الحمراء الاصطناعية، غير أنها طورت خلايا الدم الحمراء الاصطناعية القابلة للتحلل الحيوي فقط في منتصف التسعينيات. استُخدمت الخلايا الاصطناعية للخلايا الحية المغلفة لأول مرة سريرياً سنة 1994 لعلاج مريض السكري ومنذ ذلك الحين غلفت أنواعًا أخرى من الخلايا كخلايا الكبد والخلايا الجذعية البالغة والخلايا المعدلة وراثيًا وهي قيد الدراسة لاستخدامها في التجديد النسيجي.[8][9][10][11][12]

في التاسع والعشرين من كانون الأول 2011، أبلغ كيميائيون في جامعة هارفارد عن إنشاء غشاء خلوي اصطناعي.[13][14][15]

بحلول عام 2014، صُنّعت خلايا بكتيرية اصطناعية، ذاتية التكاثر بجدران خلوية ودنا اصطناعي. في كانون الثاني من نفس العام، أنتج الباحثون خلية حقيقية النواة اصطناعية قادرة على الشروع بتفاعلات كيميائية متعددة من خلال العضيات الحية.[16][17]

في أيلول 2018، طور باحثون من جامعة كاليفورنيا خلايا اصطناعية قاتلة للبكتيريا. صُممت الخلايا تصاعدياً -مثل كتل الليغو- لقتل البكتيريا.[18][19][20]

الموادعدل

تتكون أغشية الخلايا الاصطناعية من بوليمرات بسيطة وبروتينات متشابكة وأغشية دهنية أو معقدات دهنية-بوليمرية. علاوة على ذلك، يمكن هندسة الأغشية لتظهر بروتينات سطحية مثل الألبومين والمستضدات والأنزيمات الناقلة للصوديوم/البوتاسيوم أو المسامات كالقنوات الأيونية. تشمل المواد الشائعة المستخدمة لإنتاج الأغشية بوليمرات الهيدروجيل مثل الألجينايت والسليلوز والبوليمرات البلاستيكية الحرارية كهيدروكسي إيثيل ميثاكريلات-ميثيل ميثاكريلات (هيما-إم إم إي)، وبولي أكريلونيتريل-بولي فينيل (بان-بي في سي)، إضافةً لأشكال مختلفة من المواد المذكورة آنفا. تحدد المادة المستخدمة نفاذية غشاء الخلية، والتي تعتمد بالنسبة للبوليمر على الوزن الجزيئي المقطوع (إم دبليو سي أو). الوزن الجزيئي المقطوع: الوزن الجزيئي الأقصى للجزيء الذي قد يمر بحرية عبر المسام وهو مهم لتحديد الانتشار الكافي للعناصر الغذائية والمخلفات والجزيئات المهمة الأخرى. تتمتع البوليمرات المحبة للماء بقدرتها على التوافق حيوياً مع النسيج الحي ويمكن تصنيعها بأشكال متنوعة تشمل مذيلات بوليمرية ومخاليط سول-جل وتوليفات فيزيائية وجسيمات متشابكة وجسيمات النانو. تحظى البوليمرات المستجيبة للمحفزات بأهمية خاصة حيث تستجيب لتغيرات درجة الحموضة أو درجة الحرارة لاستخدامها في التسليم المستهدف. يمكن إعطاء هذه البوليمرات بشكل سائل من خلال الحقن المجهري وتتجمد أو تصبح هلامية في موضعها بسبب الاختلاف بدرجة الحموضة أو درجة الحرارة. تستخدم تجهيزات الجسيمات النانوية والجسيمات الشحمية أيضًا روتينياً لتغليف المواد وإيصالها. لدى الجسيمات الشحمية ميزة رئيسية هي قدرتها على الاندماج بأغشية الخلايا والعضيات الخلوية.[2]

التحضيرعدل

طُورت طرق مختلفة من إعداد الخلايا الاصطناعية وتغليفها. عادةً، يجري تصنيع الحويصلات كالجسيمات النانوية والبوليمرات أو الجسيمات الشحمية. يصنع المستحلب غالباً باستخدام معدات الضغط العالي مثل المجانس عالي الضغط أو المميّع الدقيق. وُصفت أيضاً طريقتان للتغليف الدقيق للنيتروسيليلوز أدناه.

التجانس عالي الضغطعدل

في المجانس عالي الضغط، يدفع سائلان في زيت/ سائل مستعلق عبر فتحة صغيرة تحت ضغط مرتفع للغاية. تقسم هذه العملية النواتج وتسمح بتكوين جسيمات دقيقة للغاية، يصل حجمها إلى 1 نانومتر.

التمييع الدقيقعدل

تستخدم التقنية مميّعًا دقيقًا ممتازًا للحصول على كمية أكبر من المستعلقات المتجانسة التي يمكنها خلق جزيئات أصغر من المجانسات. يستخدم المجانس أولاً لإنشاء مستعلق خشن ليضخ بعد ذلك في مميّع دقيق تحت ضغط عالٍ. ينقسم التدفق بعدها لمجريين يتفاعلان بسرعات عالية جدًا في حجرة التفاعل للحصول على حجم الجسيم المطلوب. تسمح هذه التقنية بالإنتاج واسع النطاق للجسيمات الشحمية الفسفورية ولاحقاً تغليف المواد النانوية.[21]

أسلوب الإسقاطعدل

في هذه العملية، يدمج محلول خلوي بالتنقيط في محلول كولوديون دبق من نترات السليلوز. في أثناء انتقال القطرة عبر الكولوديون، تغطى بغشاء بفضل خصائص البلمرة البينية للكولوديون. تستقر الخلية لاحقًا في البارافين حيث يثبت الغشاء وتعلق أخيرًا بمحلول ملحي. يستخدم أسلوب الإسقاط لإنشاء خلايا اصطناعية كبيرة تغلف الخلايا البيولوجية والخلايا الجذعية والخلايا الجذعية المعدلة وراثيًا.

طريقة المستحلبعدل

تختلف طريقة المستحلب بأن المادة المراد تغليفها عادة تكون أصغر وتوضع في قاع حجرة التفاعل حيث يضاف الكولوديون أعلاها ويطرد مركزيًا، أو يختل بطريقة أخرى لأجل تكوين مستحلب. تغمر المادة المغلفة بعد ذلك وتعلق في محلول ملحي. 

العلاقة السريريةعدل

نشر الأدوية وإيصالهاعدل

تختلف الخلايا الاصطناعية المستخدمة في توصيل الأدوية عن الخلايا الاصطناعية الأخرى لأن محتوياتها تهدف للانتشار خارج الغشاء، أو لأن تبتلع وتهضم من قبل الخلية المستهدفة المستضيفة. غالبًا تستخدم الخلايا الاصطناعية ذات الأغشية الدهنية دون الدقيقة المسماة بالكبسولات النانوية، الجسيمات النانوية أو البوليمرات أو أشكالًا أخرى من نفس التعبير.

العلاج بالأنزيمعدل

تجري دراسة العلاج بالإنزيم بشكل نشط لأمراض التمثيل الغذائي الوراثية حيث يكون الإنزيم مفرط الإنتاج أو قليل الإنتاج أو معيبًا أو لا يوجد على الإطلاق. في حالة نقص الإنتاج أو إنتاج إنزيم معيب، يدّخل شكل نشط من الإنزيم في الجسم لتعويض الناقص. من ناحية أخرى، يواجه الإفراط في الإنتاج الإنزيمي من طريق إدخال إنزيم غير وظيفي مضاد; أي إنزيم يحول المادة المتفاعلة إلى منتجات غير نشطة. عند وضعها داخل خلية اصطناعية، يمكن للإنزيمات تأدية وظائفها لفترة أطول بكثير مقارنة بالإنزيمات الحرة ويمكن تحسينها بشكل أكبر من طريق الاقتران البوليمري.[22]

أول إنزيم جرت دراسته حول الخلايا الاصطناعية المغلفة هو الأسباراجيناز لعلاج الساركوما اللمفاوية في الفئران. أدى العلاج إلى تأخير ظهور الورم ونموه. أدت النتائج الأولية لمزيد من الأبحاث لاستخدام الخلايا الاصطناعية لتوصيل الإنزيم إلى الأورام الميلانينية المعتمدة على التيروزين. تعتمد هذه الأورام على التيروزين أكثر من الخلايا الطبيعية من أجل النمو، وقد أظهرت الأبحاث أن خفض المستويات الجهازية من التيروزين لدى الفئران يمكنه تثبيط نمو الأورام الميلانينية. يسمح استخدام الخلايا الاصطناعية في توصيل إنزيم التيروزيناز؛ ويسمح الإنزيم الذي يهضم التيروزين، باستقرار إنزيمي أكبر ويظهر فعالية بإزالة التيروزين دون حدوث الآثار الجانبية الشديدة المرتبطة بنقصان التيروزين في النظام الغذائي.[23][24][25][26]

يعد العلاج الإنزيمي بالخلايا الاصطناعية مفيدًا أيضاً لتنشيط الأدوية الأولية مثل إفوسفاميد المستخدم في بعض أنواع السرطان. يمكن تعديل الخلايا الاصطناعية المغلفة لإنزيم السايتوكروم بّي450 الذي يحول هذا الدواء الأولي إلى الشكل الفعال بحيث يتجمع عند السرطان البنكرياسي أو من طريق زرع الخلايا الاصطناعية قرب موقع الورم. هنا، يكون التركيز الموضعي للفوسفاميد النشط أكبر بكثير من بقية الجسم وبذلك يمنع التسمم الجهازي. كان العلاج ناجحًا في الحيوانات وأظهر تضاعفاً في متوسط النجاة للمرضى المصابين بمراحل متقدمة من سرطان البنكرياس خلال اختبارات المرحلة الأولى/ الثانية للتجارب السريرية وتضاعف معدل البقاء على قيد الحياة لمدة عام واحد ثلاث مرات.[26][27]

العلاج الجينيعدل

في علاج الأمراض الوراثية، يهدف العلاج الجيني إلى إدخال الجينات أو تغييرها أو إزالتها داخل خلايا الفرد المصاب. تعتمد التقنية بشكل كبير على الناقلات الفيروسية التي تثير مخاوف بشأن الطفرات الجينية والاستجابة المناعية الجهازية التي أدت إلى وفيات بشرية وتطور سرطان الدم في أثناء التجارب السريرية. كما أبطل الحاجة للنواقل أن البلازميد أو الحمض النووي المجرد الذي يعد نظام النقل الخاص به يواجه عدة مشاكل منها انخفاض كفاءة النقل وضعف استهداف الأنسجة عند إعطائه بشكل دوري.[28][29][30]

صنفت الخلايا الاصطناعية كناقل غير فيروسي من خلال تغليف خلايا غير ذاتية معدلة وراثيًا وزرعها لإيصال البروتينات المهجنة للجسم الحي. أثبت هذا النوع من العزل المناعي فعاليته لدى الفئران من خلال إيصال خلايا اصطناعية تحتوي على هرمون نمو خاص بالفئران حيث عالج تأخر النمو في فئران حدثت لها طفرات. تطورت بعض هذه الاستراتيجيات للتجارب السريرية البشرية لعلاج سرطان البنكرياس والتصلب الجانبي والسيطرة على الألم.[30]

انظر أيضًاعدل

مراجععدل

  1. ^ Chang TM (2007)، Artificial cells : biotechnology, nanomedicine, regenerative medicine, blood substitutes, bioencapsulation, cell/stem cell therapy، Hackensack, N.J.: World Scientific، ISBN 978-981-270-576-1.
  2. أ ب Artificial cells, cell engineering and therapy.، Boca Raton, Fl: Woodhead Publishing Limited، 2007، ISBN 978-1-84569-036-6.
  3. ^ Gebelein CG (1983)، Polymeric materials and artificial organs based on a symposium sponsored by the Division of Organic Coatings and Plastics Chemistry at the 185th Meeting of the American Chemical Society، Washington, D.C.: American Chemical Society، ISBN 978-0-8412-1084-4.
  4. ^ "A giant step towards artificial life?"، Trends in Biotechnology، 23 (7): 336–8، يوليو 2005، doi:10.1016/j.tibtech.2005.05.008، PMID 15935500.
  5. ^ "Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome"، Science، 329 (5987): 52–6، يوليو 2010، Bibcode:2010Sci...329...52G، doi:10.1126/science.1190719، PMID 20488990، S2CID 7320517. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  6. ^ "Semipermeable Microcapsules"، Science، 146 (3643): 524–5، أكتوبر 1964، Bibcode:1964Sci...146..524C، doi:10.1126/science.146.3643.524، PMID 14190240، S2CID 40740134.
  7. ^ Chang T (1996)، "Editorial: past, present and future perspectives on the 40th anniversary of hemoglobin based red blood cell substitutes"، Artificial Cells Blood Substit Immobil Biotechnol، 24: ixxxvi.
  8. ^ "Microencapsulated xanthine oxidase as experimental therapy in Lesch-Nyhan disease"، Lancet، 2 (8664): 687–8، سبتمبر 1989، doi:10.1016/s0140-6736(89)90939-2، PMID 2570944، S2CID 39716068.
  9. ^ Chang TM (1997)، Blood substitutes، Basel: Karger، ISBN 978-3-8055-6584-4.
  10. ^ "Insulin independence in a type 1 diabetic patient after encapsulated islet transplantation"، Lancet، 343 (8903): 950–1، أبريل 1994، doi:10.1016/S0140-6736(94)90067-1، PMID 7909011، S2CID 940319. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  11. ^ "Coencapsulation of hepatocytes and bone marrow stem cells: in vitro conversion of ammonia and in vivo lowering of bilirubin in hyperbilirubemia Gunn rats"، The International Journal of Artificial Organs، 26 (6): 491–7، يونيو 2003، doi:10.1177/039139880302600607، PMID 12894754، S2CID 12447199.
  12. ^ "Intrathecal delivery of CNTF using encapsulated genetically modified xenogeneic cells in amyotrophic lateral sclerosis patients"، Nature Medicine، 2 (6): 696–9، يونيو 1996، doi:10.1038/nm0696-696، PMID 8640564، S2CID 8049662. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  13. ^ "Membrane assembly driven by a biomimetic coupling reaction"، Journal of the American Chemical Society، 134 (2): 751–3، يناير 2012، doi:10.1021/ja2076873، PMC 3262119، PMID 22239722.
  14. ^ Staff (25 يناير 2012)، "Chemists Synthesize Artificial Cell Membrane"، ساينس ديلي، مؤرشف من الأصل في 27 نوفمبر 2020.
  15. ^ Staff (26 يناير 2012)، "Chemists create artificial cell membrane"، kurzweilai.net، مؤرشف من الأصل في 5 ديسمبر 2020.
  16. ^ "World-first working eukaryotic cell made from plastic"، Gizmag.com، مؤرشف من الأصل في 8 نوفمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 17 يناير 2014.
  17. ^ Johnson, R. (2013)، "Nanoreactors: Catalysis in compartments"، Nature Chemistry، 6 (1): 5، Bibcode:2014NatCh...6....5J، doi:10.1038/nchem.1840.
  18. ^ "Artificial Cells Are Tiny Bacteria Fighters. - British Lung Foundation | HealthUnlocked"، HealthUnlocked، مؤرشف من الأصل في 7 سبتمبر 2018، اطلع عليه بتاريخ 07 سبتمبر 2018.
  19. ^ "Researchers create artificial 'lego cells' that can detect and fight bacteria- Technology News, Firstpost"، Tech2 (باللغة الإنجليزية)، 04 سبتمبر 2018، مؤرشف من الأصل في 1 يناير 2021، اطلع عليه بتاريخ 07 سبتمبر 2018.
  20. ^ "Artificial cells are tiny bacteria fighters"، ScienceDaily (باللغة الإنجليزية)، مؤرشف من الأصل في 9 نوفمبر 2020، اطلع عليه بتاريخ 07 سبتمبر 2018.
  21. ^ "Large-scale blood substitute production using a microfluidizer"، Biomaterials, Artificial Cells, and Immobilization Biotechnology، 20 (2–4): 377–97، 1992، doi:10.3109/10731199209119658، PMID 1391454.
  22. ^ Park et al 1981
  23. ^ "The in vivo effects of semipermeable microcapsules containing L-asparaginase on 6C3HED lymphosarcoma"، Nature، 229 (5280): 117–8، يناير 1971، Bibcode:1971Natur.229..117C، doi:10.1038/229117a0، PMID 4923094، S2CID 4261902.
  24. ^ "Effects of long-term oral administration of polymeric microcapsules containing tyrosinase on maintaining decreased systemic tyrosine levels in rats"، Journal of Pharmaceutical Sciences، 93 (4): 831–7، أبريل 2004، doi:10.1002/jps.10593، PMID 14999721.
  25. ^ "Dietary influence of tyrosine and phenylalanine on the response of B16 melanoma to carbidopa-levodopa methyl ester chemotherapy"، Cancer Research، 42 (8): 3056–63، أغسطس 1982، PMID 7093952.
  26. أ ب "Artificial cell bioencapsulation in macro, micro, nano, and molecular dimensions: keynote lecture"، Artificial Cells, Blood Substitutes, and Biotechnology، 32 (1): 1–23، فبراير 2004، doi:10.1081/bio-120028665، PMID 15027798، S2CID 37799530.
  27. ^ "Intra-arterial instillation of microencapsulated, Ifosfamide-activating cells in the pig pancreas for chemotherapeutic targeting"، Pancreatology، 3 (1): 55–63، 1999، doi:10.1159/000069147، PMID 12649565، S2CID 23711385. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  28. ^ "Gene therapy of human severe combined immunodeficiency (SCID)-X1 disease"، Science، 288 (5466): 669–72، أبريل 2000، Bibcode:2000Sci...288..669C، doi:10.1126/science.288.5466.669، PMID 10784449. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  29. ^ "LMO2-associated clonal T cell proliferation in two patients after gene therapy for SCID-X1"، Science، 302 (5644): 415–9، أكتوبر 2003، Bibcode:2003Sci...302..415H، doi:10.1126/science.1088547، PMID 14564000، S2CID 9100335. {{استشهاد بدورية محكمة}}: الوسيط |إظهار المؤلفين=6 غير صالح (مساعدة)
  30. ^ "The in vivo delivery of heterologous proteins by microencapsulated recombinant cells"، Trends in Biotechnology، 17 (2): 78–83، فبراير 1999، doi:10.1016/S0167-7799(98)01250-5، PMID 10087608.