لكي تبقى الكائنات على قيد الحياة يجب عليها التحكم في الضغط داخلها، من مستوى الخلية الواحدة إلى الأنسجة والأعضاء. قياس هذه الضغوط في الخلايا والأنسجة الحية في الظروف الفسيولوجية يمثل تحديًا.
في بحث يعود أصله إلى جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، ويقوم به العلماء الآن في مجموعة التميز في فيزياء الحياة (PoL) في الجامعة التقنية في درسدن (TU Dresden) بألمانيا، يقدمون في مجلة الطبيعة للاتصالات تقنية جديدة لـ “تصور” هذه الضغوط أثناء تطور الكائنات الحية. يمكن أن تساعد هذه القياسات في فهم كيفية بقاء الخلايا والأنسجة تحت ضغط، وتكشف عن كيفية حدوث مشكلات في تنظيم الضغوط تؤدي إلى الأمراض.
عندما تذاب الجزيئات في الماء وتفصل في أقسام مختلفة، يكون للماء توجه للتدفق من قسم إلى آخر لمعادلة تراكيزهم، وهذه العملية تعرف باسم الأسموز. إذا لم تتمكن بعض الجزيئات من عبور الغشاء الذي يفصل بينهما، ينشأ تفاوت في الضغط – الضغط الأسموزي – بين الأقسام. هذا المبدأ هو أساس للعديد من التطبيقات التقنية، مثل تحلية مياه البحر أو تطوير كريمات الترطيب. يتبين أن الحفاظ على كائن حي ليعمل بشكل سليم هو جزء من هذه القائمة أيضًا.
تقوم خلايانا باستمرار بتحريك الجزيئات داخلها وخارجها لمنع تراكم الضغط عن سحقها. للقيام بذلك، يستخدمون مضخات جزيئية تسمح لهم بالحفاظ على الضغط تحت السيطرة. يؤثر الضغط الأسموزي هذا على العديد من جوانب حياة الخلايا وحتى يحدد حجمها.
عندما تتعاون الخلايا لبناء أنسجتنا وأعضائنا، تواجه أيضًا مشكلة في الضغط: نظامنا الوعائي، أو الأعضاء مثل البنكرياس أو الكبد، يحتوي على تجاويف مملوءة بالسوائل تعرف بالقنوات الضوئية وهي ضرورية لوظيفتها. إذا فشلت الخلايا في التحكم في الضغط الأسموزي، فإن هذه القنوات الضوئية قد تنهار أو تنفجر، مما يمكن أن يؤدي إلى عواقب كارثية على العضو. لفهم كيفية تنظيم الخلايا للضغط في هذه الأنسجة، أو كيف يمكن أن يفشلوا في القيام بذلك في حالة الأمراض، من الضروري قياس الضغط الأسموزي وـ “رؤيته” في الأنسجة الحية. ولكن للأسف، لم يكن ذلك ممكنًا حتى الآن. حتى الآن.
قاد العلماء، بقيادة البروفيسور السابق في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، أوتجير كامباس، الذي يشغل الآن منصب الرئيس لديناميات الأنسجة في TU Dresden وهو حاليًا المدير التنفيذي لـ PoL، تقنية جديدة لقياس الضغط الأسموزي في الخلايا والأنسجة الحية باستخدام قطرات خاصة تعرف بالتشكيلات المزدوجة. لهذا الاستشعار للضغط، قاموا بإدخال قطرة ماء في قطرة زيت تسمح بتدفق الماء من خلالها. عندما تعرضت هذه “التشكيلات المزدوجة” لمحاليل ملحية بتراكيز مختلفة، تدفق الماء داخل القطرة الداخلية وخارجها، مما أدى إلى تغيير حجمها حتى تم تعادل الضغوط. أظهروا أنه يمكن قياس الضغط الأسموزي ببساطة عن طريق فحص حجم القطرة. ثم قاموا بإدخال هذه التشكيلات المزدوجة في الخلايا والأنسجة الحية باستخدام أنابيب زجاجية صغيرة للكشف عن الضغط الأسموزي.
اتضح أن الخلايا في الأنسجة الحيوانية تمتلك نفس الضغط الأسموزي الذي تمتلكه الخلايا النباتية ولكن، على عكس النباتات، يجب عليها توازنه باستمرار مع بيئتها لتجنب الانفجار، نظرًا لعدم وجودها لجدران خلوية صلبة.” قال أوتجير كامباس، البروفيسور السابق في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا
مع هذه الفكرة البسيطة، تسمح هذه الطريقة الذكية الآن للعلماء بـ “رؤية” الضغط الأسموزي في مجموعة واسعة من الإعدادات. “نحن نعلم أن عدة عمليات فيزيائية تؤثر في عمل أجسامنا”، قال كامباس. “بشكل خاص، يعرف أن الضغط الأسموزي يلعب دورًا أساسيًا في بناء الأعضاء أثناء عملية تكوين الجنين، وأيضًا في الحفاظ على الأعضاء البالغة بصحة جيدة. مع هذه التقنية الجديدة، يمكننا الآن دراسة كيفية تأثير الضغط الأسموزي على جميع هذه العمليات مباشرة في الأنسجة الحية.”
بالإضافة إلى تقديم رؤى حول العمليات البيولوجية والمبادئ الفيزيائية التي تحكم الحياة، تحمل هذه الطريقة تطبيقات صناعية وطبية واعدة، بما في ذلك مراقبة ترطيب الجلد، وتوصيف الكريمات أو الأطعمة، وتشخيص الأمراض المعروفة بانخفاض ضغط الأسموز، مثل أمراض القلب والأوعية الدموية أو الأورام. براءة الاختراع لهذه التقنية قيد الإصدار حاليًا من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، حيث أجرى كامباس بحوثه قبل انضمامه إلى TU Dresden.
سبق لمختبر كامباس أن وضع تقنيات فريدة لقياس القوى الصغيرة التي تنشئها الخلايا داخل الأنسجة وكذلك خصائص فيزيائية إضافية باستخدام قطرات صغيرة جدًا. أكد أنتوان فيان، الكاتب الرئيسي للعمل وخبير في مجال الميكروفلويدية، التكنولوجيا التي تمكن من إنتاج قطرات التشكيلات المزدوجة، دورهم الرئيسي.
“التشكيلات المزدوجة متعددة الاستخدامات للغاية، مع العديد من التطبيقات المختلفة في العلوم والتكنولوجيا”، قال. “يمكن تشكيل قطرات واحدة ولكنها لا تسمح بقياسات الضغط. على عكس ذلك، يمكن لقطرات التشكيلات المزدوجة أن تتغير في الحجم وتستخدم كمستشعرات للضغط الأسموزي. استخدامها في الأنظمة الحية سيسمح بالتأكيد باكتشافات جديدة ومثيرة.”
