كيف سيغيرون الرعاية الصحية

بينما يبدأ الكيميائيون وعلماء الأحياء والمهندسون في العمل مع بعضهم البعض ومع الأطباء ، فإن حقل الهيدروجيل المزدهر يستعد لتغيير الطريقة التي نتناول بها الأدوية ونعالج المفاصل البالية ويمهد الطريق لمستقبل خيال علمي على ما يبدو في ما هي الأعضاء ، بما في ذلك العقول ، التي يمكن أن تتفاعل مباشرة مع الآلات.

قال بنجامين وايلي ، دكتوراه ، أستاذ الكيمياء في جامعة ديوك في دورهام ، نورث كارولاينا: “نحن ، في الأساس ، هيدروجيل”. “بينما يطور الناس الهلاميات المائية الجديدة التي تتطابق بشكل وثيق مع الأنسجة في أجسامنا ، سنكون قادرين على علاج مجموعة كاملة من الأمراض التي لم نتمكن من علاجها من قبل.”

من العدسات اللاصقة إلى زراعة الدماغ

ببساطة ، يشبه الهيدروجيل كيس شبكي من الماء.

تتكون الشبكة من بوليمرات ، أو خيوط من الجزيئات تشبه السباغيتي ، مخيطة معًا في نمط متكرر وتنتفخ مع H₂O ، يشبه إلى حد كبير الطريقة التي تحيط بها المصفوفات ثلاثية الأبعاد في أجسامنا وتدعمها وتعطي بنية لخلايانا وأنسجتنا.

في حين أن الفئة الأوسع من “المواد الهلامية” يمكن ملؤها بأي شيء ، بما في ذلك المذيبات الكيميائية ، فإن الماء هو المكون الرئيسي الذي يميز الهلاميات المائية عن بعضها ، مما يجعلها مثالية ، كما وصفها بعض العلماء ، لـ “دمج البشر والآلات”.

تتكون عظام الإنسان من حوالي 25٪ من الماء ، بينما تحوم العضلات حول 70٪ والدماغ 85٪. يلعب السائل الثمين مجموعة من الأدوار الحاسمة ، من نقل المغذيات إلى الداخل والفضلات إلى مساعدة الخلايا على التحدث مع بعضها البعض.

يمكن تحميل الهلاميات المائية المصنوعة في المختبر بشحنة (مثل كرة في الشبكة) ، بما في ذلك الخلايا أو الأدوية التي تساعد في محاكاة بعض هذه الوظائف.

الهلاميات المائية هي أيضًا لينة ومرنة مثل اللحم. لذلك ، إذا تم استخدامها في عمليات الزرع ، فقد تكون أقل عرضة لتلف الأنسجة المحيطة.

“فكر في ملعقة معدنية في وعاء البودينغ الخاص بك. قالت كريستينا ترينجيدس ، عالمة مواد تدرس الهندسة العصبية ، “عندما تهز الوعاء ، لا تبقى الملعقة في مكانها ، وتصاب بالندوب حول الملعقة”. هذا ، كما تقول ، هو بالضبط ما يحدث لزرع الدماغ عندما يتنفس المرضى أو يتحركون. “إنه عدم تطابق ميكانيكي. ولكن مع الهلاميات المائية ، يمكنك الحصول على مطابقة ميكانيكية مثالية “.

تميل الهلاميات المائية أيضًا إلى أن تكون غير سامة ، لذلك قد يكون الجهاز المناعي أقل عرضة لمهاجمتها كأجسام غريبة.

كل هذا جعل الهلاميات المائية محبوبًا جديدًا لعالم الهندسة الحيوية.

قال أبيل: “كان هناك انفجار مطلق في الاهتمام بهذه المواد”.

توصيل الأدوية بطريقة أكثر ذكاءً وإلكترونيات قابلة للهضم

كانت الإصدارات المبكرة من الهلاميات المائية سميكة ولزجة ، مما جعل من الصعب إدخالها داخل الجسم.

“فكر في كتلة من Jell-O. لا يمكنك حقن شيء من هذا القبيل ، “قال أبيل.

لكن شركة Appel ، التي يطور مختبرها أنظمة جديدة لتوصيل الأدوية ، كانت تتلاعب بتركيبات الهلام لسنوات على أمل أن تتمكن هذه الكرات الأرضية عالية التقنية يومًا ما من نقل الأدوية الموقوتة إلى المكان المناسب في الجسم.

قد يكون هذا بمثابة تغيير لقواعد اللعبة في وقت كانت فيه العديد من الأدوية المتطورة – مثل Humira لالتهاب المفاصل أو Ozempic لمرض السكري من النوع 2 – مصنوعة من بروتينات سريعة التحلل كبيرة جدًا ومعقدة بحيث لا يمكن وضعها في حبوب منع الحمل. بدلا من ذلك ، يجب حقنها ، في كثير من الأحيان.

قال أبيل: “لأن الجل يستغرق شهورًا ليذوب ، فإنه يوصل الدواء ببطء بمرور الوقت”. “يمكنك تصور الانتقال من لقطة مرة واحدة في الأسبوع إلى مرة كل 4 أشهر.”

قال أبيل ، الذي أسس شركة ناشئة ويأمل في تسريع أول دواء هيدروجيل ، إن مثل هذه الهلاميات المائية بطيئة الإطلاق يمكن أن تجعل اللقاحات تدوم لفترة أطول ، وبالتالي تعليم الجسم مقاومة متغيرات الفيروسات الناشئة بشكل أفضل ، وتقديم علاجات لكسر الورم بشكل أكثر دقة. نظام التسليم للتجارب السريرية في غضون بضع سنوات.

وفي الوقت نفسه ، اتخذ فريق آخر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجًا مختلفًا ، حيث طوروا حبة هيدروجيل قياسية الحجم قابلة للهضم تنتفخ مثل السمكة المنتفخة في المعدة ، وتستمر لمدة شهر وتطلق الأدوية ببطء طوال الوقت. لإزالة حبوب منع الحمل ، يشرب المريض ببساطة محلولًا يحتوي على الملح يذبل جهاز بحجم كرة بينج بونج بحيث يمكن تمريره خارج الجسم.

في ورقة في اتصالات الطبيعةأظهر العلماء أن حبوب منع الحمل السمكية المنتفخة يمكن أيضًا تحميلها بكاميرات صغيرة أو أجهزة مراقبة لتتبع حالات مثل القرحة أو السرطان.

قال Xuanhe Zhao ، دكتوراه ، باحث في المشروع وأستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية في MIT .

بناء المفاصل وإعادة نمو العظام

منذ سبعينيات القرن الماضي ، فكر الباحثون في استخدام الهلاميات المائية لتحل محل الغضروف البشري ، وهو نسيج قوي ومرن بشكل ملحوظ مصنوع من حوالي 90٪ من الماء ولكنه قادر على تحمل وزن السيارة على مساحة تقارب حجم العملة المعدنية.

من خلال ربط الهيدروجيل الخاص بهم بدعامة من التيتانيوم للمساعدة في تثبيته في مكانه ، يأملون في إصلاح الغضروف التالف “مثلما يملأ طبيب الأسنان تجويفًا” قبل وقت طويل من ضرورة الجراحة.

لقد دخلوا أيضًا في شراكة مع الصناعة لجلب هيدروجيلهم إلى السوق – بدءًا من الركبتين.

قال ويلي: “في النهاية ، الهدف هو عمل أي مفصل – الوركين والكاحلين والأصابع وأصابع القدم”.

في جامعة تورنتو ، تفكر الكيميائي كارينا كارنيرو ، الحاصلة على درجة الدكتوراه ، وطبيب الأسنان كريستوفر ماكولوتش ، دكتوراه في الطب ، أيضًا.

في ورقة حديثة في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوميصفون هيدروجيل ، صممه كارنيرو ومصنوع من الحمض النووي ، يمكن حقنه ، والانتقال إلى عيب في العظام – كسر لا يمكن إصلاحه ، أو ثقب من الجراحة ، أو عظام الفك ذاب مع تقدم العمر – وملء الفراغ مثل المعجون. ولكن لا يقتصر الأمر على ترقيع الثقب فحسب ، بل يدفع العظام إلى التجدد.

في الفئران التي أصيبت بثقوب في جمجمتها بسبب الجراحة ، وجدوا أن العلاج لم ينجح مثل المعيار الذهبي الحالي لإصلاح الثقوب في العظام – تطعيم العظام من أماكن أخرى في الجسم. لكنها نجحت.

حذر ماكولوتش ، مؤلف مشارك في الدراسة وأستاذ في كلية طب الأسنان ، من أن “هذه الأيام مبكرة جدًا بالنسبة إلى هيدروجيل الحمض النووي” ، مشيرًا إلى أنه من المحتمل أن يمر عقد أو أكثر قبل أن تصبح هذه التكنولوجيا متاحة للمرضى. لكن هناك احتمال أن هيدروجيل الحمض النووي يمكن أن ينمو العظام يومًا ما دون الحاجة إلى إجراءات جراحية شديدة التوغل. هذا تقدم كبير “.

مستقبل خيال علمي

ربما تأتي أعنف وأغرب التطبيقات المحتملة للهيدروجيل في عالم التفاعل بين الإنسان والآلة.

تنخرط العديد من الشركات بالفعل في الأطراف الاصطناعية العصبية أو واجهات الكمبيوتر الدماغي التي قد تسمح يومًا ما ، على سبيل المثال ، لشخص مشلول ولا يمكنه التحدث بالكتابة على جهاز كمبيوتر محمول باستخدام أفكاره.