علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Lab team develops first-ever living 3D-printed aneurysm to improve surgical procedures, personalize treatments
(بقلم: جيرمي توماس – Jeremy Thomas)
يؤثر تمدد الأوعية الدموية في الدماغ على واحد من كل 50 أميركيًا، ويمكن أن تؤدي إلى حالات طبية طارئة خطيرة، بما في ذلك السكتة الدماغية وتلف الدماغ والموت إذا انفجرت. وخيارات العلاج الحالية محدودة وغالبًا ما تكون جائرة، ويمكن أن تختلف النتائج الجراحية بشكل كبير من شخص لآخر.
ولكن قد يكون الممارسون الطبيون قادرين على تحسين طرق العلاج الحالية وتطوير أساليب جديدة مخصصة، وذلك بفضل الباحثين في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) والمتعاونين معهم من الخارج. فقد أصبح الفريق، الذي يضم علماء في جامعة ديوك (Duke University) وتكساس إيه آند إم (Texas A&M)، أول من أنتج تمددًا حيويًا للأوعية الدموية خارج الجسم البشري، وقاموا بإجراء طبي عليه، ولاحظوا استجابته وشفاءه كما يحدث في دماغ الإنسان الفعلي.
كما تم وصفه في مجلة بايوفابريكيشن (Biofabrication) تمكن فريق مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) بقيادة المهندسين ويليام “ريك” هاينز ومونيكا مويا من تكرار تمدد الأوعية الدموية في الأوعية الدموية بطباعة ثلاثية الأبعاد في المختبر مع خلايا دماغية بشرية. وقام هاينز بإجراء إصلاح الأوعية الدموية على تمدد الأوعية الدموية المطبوعة – بإدخال قسطرة في الأوعية الدموية وتركيب دعامات البلاتين اللولبية بإحكام داخل كيس تمدد الأوعية الدموية. وبعد علاج التعبئة، أدخل الباحثون بلازما الدم في تمدد الأوعية الدموية ولاحظوا تكوين جلطة دموية في مكان وجود الدعامات اللولبية، مما أدى إلى قطع تدفق السوائل عليها. وتمكن الباحثون أيضًا من ملاحظة عملية الشفاء “بعد العملية” للخلايا البطانية داخل الأوعية.
وقال علماء مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) إن المنصة، عند دمجها مع نمذجة الكمبيوتر، تمثل خطوة مهمة لتطوير رعاية خاصة بالمريض لتمدد الأوعية الدموية استنادًا إلى هندسة الأوعية الدموية للفرد وضغط الدم وعوامل أخرى، ويمكن أن تساعد في التغلب على أكبر عقبات الهندسة الطبية الحيوية – الوقت الذي تستغرقه الأساليب والتقنيات الجراحية الجديدة للانتقال من المختبر إلى العيادة.
وقال مويا، الباحث الرئيسي في المشروع: “في حين أن هناك الكثير من خيارات العلاج الواعدة، لا يزال أمام البعض طريق طويل لنقطعه” ، وأضاف: “النماذج الحيوانية ليست بالضرورة أفضل طريقة لتجربة هذه الخيارات، لأنها تفتقر إلى المراقبة المباشرة لتأثيرات العلاج ولديها أشكال تمدد الأوعية الدموية التي لا يمكن السيطرة عليها، ويمكن أن يساعد وجود منصة الاختبار البشرية القوية هذه في المختبر في تسهيل العلاجات الجديدة؛ فإذا تمكنا من تكرار تمدد الأوعية الدموية بالقدر الذي نحتاجه باستخدام هذه الأجهزة، فقد نساعد في تسريع بعض هذه المنتجات في العيادة وتزويد المرضى بشكل أساسي بخيارات علاج أفضل”.
وبسبب ضعف في جدران الشرايين، يوصف تمدد الأوعية الدموية الدماغية “بالانتفاخ” أو انتفاخ الأوعية الدموية في الدماغ، ويمكن أن تكون قاتلة إذا تمزق. وأحد العلاجات الشائعة هو “القص” الجراحي – وهو ربط مشبك معدني بقاعدة تمدد الأوعية الدموية لإعادة توجيه تدفق الدم ومنع انفجار الأوعية. هذا الإجراء شديد التوغل، ويتطلب من الجراحين فتح الجمجمة وكشف الدماغ. وفي بعض الحالات، كما هو الحال عندما يقع تمدد الأوعية الدموية في مناطق يصعب الوصول إليها داخل الدماغ، فإن العلاج ليس خيارًا البتة.
إن العلاج الأكثر شيوعًا والأقل تدخلاً هو طريقة تركيب دعائم معدنية لولبية داخل الأوعية الدموية، حيث يقوم الجراح بإدخال قسطرة معدنية رفيعة – يتم إدخالها في شريان في الفخذ – عبر الجسم وفي تمدد الأوعية الدموية، وتركيب دعامات لولبية، التي قد تسبب تجلط الدم. وتنمو البطانة المبطنة للأوعية الدموية فوق السدادة المتخثرة، مما يؤدي إلى عزل تمدد الأوعية الدموية عن بقية الأوعية الدموية. وقال الباحثون إن الجانب السلبي لـ “الدعامات اللولبية” هو أن النجاح يعتمد بشكل كبير على مجموعة متنوعة من العوامل، بما في ذلك اشكال الأوعية الدموية للمريض، والتي تختلف من شخص إلى آخر.
ولأخذ بعض التخمينات من علاجات تمدد الأوعية الدموية، أدرك هاينز، الباحث الرئيسي الأصلي الذي اقترح المشروع، أن الباحثين سيحتاجون إلى طريقة للتحقق من صحة نماذج ثلاثية الأبعاد أكثر تنبؤية تأخذ وضع المريض في الاعتبار. وقال هاينز، الذي قاد المشروع في سنته الأولى: “إن الطباعة الحيوية للخلايا البشرية تسمح للباحثين بإنشاء نماذج تجريبية ذات صلة بيولوجيًا لتدخلات تمدد الأوعية الدموية مماثلة لنماذج الكمبيوتر، من أجل التحقق من صحتها بدقة وسهولة”.
وأضاف: “نظرنا إلى المشكلة واعتقدنا أنه إذا تمكنا من الجمع بين النمذجة الحاسوبية والنهج التجريبي، فربما يمكننا التوصل إلى طريقة أكثر حتمية لعلاج تمدد الأوعية الدموية أو اختيار العلاجات التي يمكن أن تخدم المريض على أفضل وجه؛ ويمكننا الآن البدء في بناء إطار عمل لنموذج شخصي يمكن لممارس الجراحة استخدامه لتحديد أفضل طريقة لعلاج تمدد الأوعية الدموية”.
وتابع هاينز إن مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) يتخذ “نهجًا ثلاثي الأبعاد” ، بالتعاون مع عالم المختبر السابق دنكان ميتلاند – الذي يقود مجموعة الهندسة الطبية الحيوية في جامعة تكساس إيه آند إم (Texas A&M)، ويرأس أيضًا شركة تقوم بتطوير دعامة لولبية ذات ذاكرة تجريبية لعلاج تمدد الأوعية الدموية – وأماندا راندلز، عالمة حوسبة سابقة في مختبر وأستاذ مساعد حالي بجامعة ديوك قام بتطوير برنامج لمحاكاة تدفق الدم، يسمى هارفي (HARVEY). وباستخدام الجهاز، تمكن باحثو المختبر من التحقق من نموذج ديناميكيات التدفق الذي طورته براندلز، والتحقق من النتائج التي يمكن ملاحظتها في العالم الحقيقي. وفي معدلات التدفق المنخفضة، لاحظ الباحثون حركة قليلة للدم في تمدد الأوعية الدموية، في حين أن معدل التدفق المتزايد، كما يحدث عندما يكون الشخص مضطربًا أو عصبيًا، يؤدي إلى تدفق دائري للدم في جميع أنحاء تمدد الأوعية الدموية، كما هو متوقع في الحالة الحقيقية لتمدد الأوعية الدموية في الدماغ.
ولإنشاء تمدد الأوعية الدموية المطبوعة بيولوجيًا، بدأ هاينز وفريقه بطباعة اشكال الوعاء بحبر “تقريبي” ، محاطًا بهيدروجيل أساسه بروتيني. وقاموا بتبريد النظام لإذابة الحبر، تاركين وراءهم شكل الأوعية الدموية. ثم أدخلوا الخلايا البطانية في الدماغ البشري، التي غلفت القنوات، مكونة الأوعية الدموية الفعلية وتمدد الأوعية الدموية. وأجرى هاينز عملية اللف باستخدام قسطرة دقيقة ولفائف بلاتينية، ويُعتقد أنها أول تدخل جراحي يتم إجراؤه على نسيج حي صناعي. فبعد ثمانية أيام من الإجراء، لاحظ الباحثون أن البطانة بدأت تلتئم بنفسها.
ومن خلال الجمع بين النظام الأساسي المطبوع ثلاثي الأبعاد والنماذج الحسابية، قال الباحثون إنهم طوروا أداة محتملة للجراحين للاختيار المسبق لأفضل أنواع الملفات اللازمة لتعبئة تمدد الأوعية الدموية بالكامل لتحقيق أفضل نتيجة علاج، وإجراء “اختبارات تجريبية” قبل محاولتها على المريض البشري.
وقال هاينز: “يمكن للطبيب بشكل أساسي أن ينظر حرفيًا إلى صور مسح دماغ شخص ما، ويديره من خلال برنامج النمذجة، حيث يمكن للبرنامج إظهار ديناميكيات السوائل قبل العلاج” ، وتابع: “يجب أيضًا أن تكون قادرة على محاكاة هذا العلاج والسماح للممارس بتضييق الخيارات إلى نوع معين من الدعامات أو حجم التعبئة لضمان أفضل نتيجة ممكنة”.
ويتم التحقق من صحة معظم النماذج الحسابية لتمدد الأوعية الدموية عن طريق حث الحيوانات على تمدد الأوعية الدموية وإجراء عملية جراحية عليها. وأوضح الباحثون أن النماذج الحيوانية غير كاملة، لأنه من الصعب جمع البيانات عنها، كما أن أشكال الأوعية الخاصة بهم غير قابلة للتكرار. ويستخدم العلماء أيضًا أجهزة غير بيولوجية، مثل أنابيب السيليكون المطبوعة ثلاثية الأبعاد، حيث يمكن التحكم في أشكال الأوعية، لكن النتائج قد لا تعكس البيولوجيا البشرية.
وعلى عكس النماذج الحيوانية، تسمح منصة مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) للعلماء بقياس ديناميكيات السوائل داخل الأوعية وتمدد الأوعية الدموية مباشرة مع الحفاظ على الصلة البيولوجية، وهو أفضل ما في جميع العوالم للتحقق من صحة نموذج الكمبيوتر، كما قال الباحثون.
وقال مويا: “هذه منصة مثالية لنموذج المحاكاة بالكومبيوتر (في السيليكو) [١] لأنه يمكننا إجراء قياسات التدفق هذه التي سيكون من الصعب جدًا إجراؤها إذا كنت تفعل ذلك في حيوان” ، وأضاف: “المثير أن هذه المنصة تحاكي امتثال الأوعية الدموية والصلابة الميكانيكية لأنسجة المخ، كما أنها قوية بما يكفي للتعامل مع إجراء اللف؛ فأنت ترى المركبة تنتفخ وتتحرك، لكنها قادرة على تحمل الإجراء – تمامًا كما لو كنت في الجسم الحي – وهذا يجعلها مثالية لاستخدامها كمنصة تدريب للجراحين أو كنظام اختبار في المختبر لأجهزة الانصمام”. فبالإضافة إلى الرعاية الخاصة بالمريض والعمل كقاعدة اختبار للتدريب الجراحي، قال الباحثون إن المنصة لديها إمكانية تحسين فهم علم الأحياء الأساسي واستجابة الشفاء بعد الجراحة.
وفي حين أن النتائج المبكرة واعدة، حذر الباحثون من أن هناك طريقًا طويلاً لنقطعه قبل أن يرى النظام الأساسي التطبيق في البيئة السريرية. وتتمثل الخطوة التالية للفريق في الجمع بين نموذج ثنائي الأبعاد لتخثر الدم تم تطويره بواسطة مهندس الحوسبة في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) والمؤلف المشارك للورقة جيسون أورتيجا مع نموذج ديناميكيات السوائل ثلاثية الأبعاد لراندلز ، لمحاكاة كيفية تشكل جلطات الدم استجابةً للدعامات في ثلاثة أبعاد. إنهم يهدفون إلى مقارنة الدعامات اللولبية العارية التقليدية مع دعامات البوليمر ذات الذاكرة التجريبية التي طورها استاذ الهندسة الطبية الحيوية في جامعة تكساس ايه اند ام دنكان ميتلاند (Duncan Maitland) والتي تم تصميمها للتوسع داخل تمدد الأوعية الدموية لتشجيع التخثر بشكل أفضل وتعزيز نتائج المرضى.
*تمت الترجمة بتصرف
تنويه:
تم تمويل العمل من قبل برنامج البحث والتطوير الموجه بالمختبر. ومن بين المؤلفين المشاركين ليندي جانج من جامعة تكساس إيه آند إم وخافيير ألفارادو وإليسا واسون من مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) وماريانا بيبونا من جامعة ديوك ولاندون ناش من شيب ميموري ميديكال[٢] (Shape Memory Medical).
المصدر:
الهوامش:
[١] في نمذجة السيليكو، يتم تطوير نماذج الكمبيوتر لنمذجة عملية دوائية أو فيزيولوجية، هي امتداد منطقي للتجربة المختبرية الخاضعة للرقابة. إنها النتيجة الطبيعية للزيادة الهائلة في قوة الحوسبة المتاحة لعالم البحث بتكلفة منخفضة باستمرار. [٢] هي شركة للأجهزة الطبية تقوم بتطوير أجهزة طبية مبتكرة تعتمد على لدائن ذات ذاكرة للاشكال (Shape Memory Polymer (SMP.