"الأكسجين للخلايا": غرسة بسيطة ساعدت على خفض مستويات السكر دون أدوية قوية

وُصفت غرسة أكسجين جديدة لعلاج داء السكري من النوع الأول في مجلة Nature Communications: مولد أكسجين كهروكيميائي مدمج (iEOG) يُزوّد كبسولة كبيرة تحتوي على خلايا تُفرز الأنسولين بالأكسجين باستمرار. يسمح هذا النظام بتكديس الجزر المعزولة بإحكام (حتى 60,000 وحدة دولية مكافئة/مل) ويحافظ على حيويتها وإفرازها حتى في ظروف نقص الأكسجين. في الفئران المصابة بداء السكري، حافظ الجهاز المزروع تحت الجلد على مستوى سكر طبيعي لمدة تصل إلى ثلاثة أشهر - دون تثبيط مناعي. أما الفئران الضابطة، التي لم تُؤخذ أكسجين، فقد ظلت تعاني من ارتفاع سكر الدم.

خلفية

• المشكلة التقنية الرئيسية هي الأكسجين. فبمجرد "إخفاء" الخلايا خلف الغشاء ووضع الجهاز تحت الجلد (بطريقة مريحة وسهلة الاستخراج)، فإنها تفتقر إلى الأكسجين: فالانتشار عبر الغشاء وضعف الأوعية الدموية في هذا المكان لا يلبي احتياجات الجزر "النهمة". ومن هنا يأتي الموت المبكر، وضعف العمل، والحاجة إلى تخفيف البذور بشكل كبير - وإلا ستصبح الكبسولة ضخمة.
• لماذا هذا التعقيد الفيزيائي ؟ يمر الأكسجين عبر الأنسجة لمسافات قصيرة جدًا فقط، والخلايا المُغلَّفة لا تمتلك أوعية خاصة بها - تعيش في الأشهر الأولى فقط بفضل الانتشار السلبي. أي سماكة للمواد أو "ضغط" للخلايا يُنقل مركز الكبسولة بسرعة إلى حالة نقص الأكسجين.
• ماذا حاولت من قبل ؟
  • لقد صنعوا أجهزةً كبيرةً قابلةً لإعادة تعبئة الأكسجين (مثل βAir): يوجد خزانٌ داخليٌّ يُعاد تعبئته بالأكسجين يوميًا؛ وقد أُجريت تجارب سريريةٌ ما قبل السريرية وتجارب سريريةٌ مبكرة. وهو فعالٌ، ولكنه يتطلب جهدًا كبيرًا من المريض.
  • جُرِّبت مواد كيميائية مانحة للأكسجين ومواد "حاملة" (مركبات بيرفلورو): فهي تُساعد، لكن تأثيرها قصير ويصعب التحكم فيه. كما ظهرت إطارات "هواء" لتسريع توصيل الأكسجين إلى سُمك الهلام.
  • تم تحسين الكبسولات نفسها ومواقع الزرع (الأغشية الرقيقة، ما قبل التوعية)، ولكن بدون مصدر خارجي للأكسجين فإنها لا تزال تصطدم بحدود كثافة الخلايا.
• ما هو الحل الذي يُكمله هذا العمل الجديد ؟ يُظهر مؤلفو مجلة Nature Communications إمدادًا مستمرًا بالأكسجين من مُولّد صغير داخل نظام التغليف الكبير: يسحب الجهاز الماء من الأنسجة ويُطلق الأكسجين كهروكيميائيًا، والذي "يتنفس" بالتساوي على طول الكبسولة مع الخلايا. تكمن الفكرة في تزويد الكبسولة بـ"ضاغط حوض سمك خاص" لتتمكن من تعبئة المزيد من الخلايا مع الحفاظ على حيويتها وفعاليتها - حتى في منطقة تحت الجلد، غير مُشبعة بالأكسجين.

لماذا هذا ضروري على الإطلاق؟

يُعدّ زرع خلايا بيتا أو الجزر أحد أكثر السبل الواعدة لإيجاد "علاج وظيفي" لداء السكري من النوع الأول. ولكن هناك عائقان رئيسيان:

1. المناعة - تتطلب عادة تناول مثبطات المناعة مدى الحياة؛
2. حرمانٌ من الأكسجين - كبسولاتٌ تحمي الجهاز المناعي تقطع في الوقت نفسه اتصال الخلايا بالأوعية الدموية، فتختنق خلايا بيتا، المتعطشة للأكسجين، بسرعة. أما العمل الجديد، فيتجاوز العائق الثاني: فهو يمنح الكبسولة مصدر أكسجين خاصًا بها، مُتحكّمًا فيه.

كيف تعمل الغرسة

• جزآن. في علبة من التيتانيوم، يوجد مولد أكسجين صغير (iEOG)، يستخرج الماء من السائل الخلالي ويطلق الأكسجين (O₂) بالتحليل الكهربائي؛ وبجانبه كبسولة خطية رفيعة بها خلايا (تشبه "نقانق" طويلة)، يمر من خلالها أنبوب منفذ للغاز: يُمتص الأكسجين بالتساوي على طول الكبسولة بأكملها. بين الخلايا والأنسجة، يوجد غشاء شبه منفذ (إلكتروسبين + ألجينات): يمر من خلاله الجلوكوز والأنسولين، بينما لا تمر الخلايا المناعية.
• الأبعاد: يبلغ قطر الإصدار الثاني من iEOG 13 مم وسمكه 3.1 مم، ويزن حوالي غرامين. عند تركيبه مع كبسولة، يُمكن إدخال هذا النظام وإخراجه من خلال شق صغير، وهو أمر بالغ الأهمية للسلامة.
• الإنتاجية. يُنتج المولد ما بين 1.9 و2.3 سم³ من الأكسجين/ساعة، ويحافظ على مستوى التدفق المحدد لأشهر، بل وحتى لسنوات (في الاختبارات طويلة الأمد في محلول ملحي، تصل المدة إلى سنتين ونصف). وبعد زرعه في الفئران، تم الحفاظ على هذا المستوى. يُحسب هذا التدفق لتغطية احتياجات مئات الآلاف من مكافئات الجزر، وهو ما يعادل تقريبًا احتياجات الشخص الواحد.

ما أظهرته التجارب

• في المختبر: عند 1% O₂ (نقص الأكسجين الشديد)، حافظت الأكسجين على قابلية البقاء والإفراز في تجمعات INS-1 وفي الجزر البشرية المعبأة في طبقة كثيفة للغاية (60000 IEQ/mL).
• في الجسم الحي (الفئران). بعد زرعه تحت الجلد في نموذج داء السكري الخيفي، أعاد نظام iEOG مستوى السكر في الدم إلى وضعه الطبيعي لمدة تصل إلى 3 أشهر دون تثبيط مناعي؛ بينما لم تُحدث الأجهزة الخالية من الأكسجين أي تأثير. لم تُظهر الأنسجة المحيطة بالمولد أي آثار جانبية تُذكر.

لماذا هذا مهم للعيادة؟

• خطوة نحو "أبعاد واقعية". لتزويد شخص بالغ بجرعة تتراوح بين 300 و770 ألف وحدة دولية مكافئة، يجب أن تكون الكبسولة محكمة الغلق - وهذا ما كان دائمًا محدودًا بالأكسجين. يُزيل إمداد الأكسجين المُتحكم به "سقف" الكثافة، ويتيح فرصة لجعل الجهاز مُدمجًا بما يكفي للزرع الفعلي.
• بالإضافة إلى الراحة. في السابق، جربنا مانحات الأكسجين الكيميائية (البيروكسيدات) - فهي لا تدوم طويلًا ولا يمكن التحكم بها، بالإضافة إلى خزانات الأكسجين التي تُعاد تعبئتها يوميًا عبر الجلد - وهي مرهقة وغير مريحة. هنا، يُزوَّد الجسم بالأكسجين باستمرار وبجرعات مُحددة، دون حقن.

تفاصيل فنية مثيرة للإعجاب

• المصدر الرئيسي للمياه هو الأنسجة. يأخذ iEOG بخار السائل الخلالي من خلال "نافذة" مسامية، ثم يتم استخدام مجموعة غشاء قطب كهربائي كلاسيكية (MEA) وجهد يتراوح بين 1.4 و1.8 فولت لفصل الماء إلى H₂ وO₂؛ تتم إزالة الغازات من خلال قنوات مختلفة.
• المتانة. عملت ثلاثة أجهزة في محلول ملحي لمدة ١١ شهرًا، وسنتين، وسنتين ونصف بالتيار المستمر دون تدهور بسبب تدفق الأكسجين؛ وبعد زرعها في فئران تعاني من نقص المناعة وأخرى سليمة، حافظت على أدائها.

القيود و"ماذا بعد"

لا يزال هذا في مرحلة ما قبل السريرية: الفئران، والكثافة العالية في الكبسولة، وإمدادات الأكسجين - كل شيء عظيم، ولكن الاختبارات الرئيسية في المستقبل:

• التوسع في الجرعات البشرية والإطارات الزمنية؛
• موثوقية وإمدادات الطاقة للكيميائيين الكهربائيين في جسم الإنسان لسنوات (لم يتم تفصيل بنية مصدر الطاقة في المقالة)؛
• تقليل التليف حول الكبسولات واستقرار الانتشار؛
• اختبارها على خلايا بيتا الجذعية وفي نماذج أقرب إلى البشر. يقارن المؤلفون حلهم بصراحة مع المناهج السابقة، ويضعونه كمنصة لكبسولات قابلة للترجمة سريريًا.

خاتمة

لكي تعيش خلايا بيتا المزروعة وتعمل دون الحاجة إلى مثبطات المناعة، فإنها تحتاج إلى التنفس. أظهر فريق كورنيل وشركائه أن مولد أكسجين صغيرًا مدمجًا في كبسولة خطية يمكنه "تغذية" الخلايا بالأكسجين لفترة كافية وبشكل متساوٍ بما يكفي لتتحمل الكثافة العالية وخفض مستوى السكر حتى في موضع تحت الجلد. لا يزال التطبيق العملي للخلايا بعيدًا، لكن المنطق الهندسي بسيط وجميل: تزويد الخلايا بالهواء حيث ينقص.