شهد مجال الطب الحيوي تطوراً هائلاً في السنوات الأخيرة، وآخر هذه التطورات المذهلة هو نجاح فريق من الباحثين في تطوير تقنية “ثورية” تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل دقيقة ومخصصة مباشرة داخل الخلايا الحية. هذا الإنجاز يفتح آفاقاً جديدة لفهمنا للخلية والتفاعل معها، وربما يؤدي إلى علاجات مبتكرة للأمراض المستعصية.
ما هي هذه التقنية الجديدة في الطباعة ثلاثية الأبعاد؟
وفقاً للدراسة المنشورة في دورية Advanced Materials المرموقة، استطاع الباحثون تشكيل هياكل معقدة بمقياس الميكرومتر داخل الخلايا. لم يقتصر الأمر على الأشكال البسيطة، بل تمكنوا من إنتاج أنماط هندسية دقيقة، ورموز “باركود” وحتى مجسماً متناهي الصغر لحيوان الفيل. هذه القدرة على التطويع الدقيق للمادة داخل الحيز الضيق للخلية تثبت دقة التقنية وكفاءتها.
تعتمد هذه الطريقة المبتكرة على حقن الخلية بمادة متوافقة حيوياً وحساسة للضوء تُعرف باسم “مقاوم الضوء”. بعد ذلك، يتم معالجة هذه المادة بنوع خاص من الليزر الذي يعمل على “بلمرة” المادة، أي تحويلها من حالتها السائلة إلى هيكل صلب. تتم هذه العملية بدقة فائقة تقل عن الميكرون، مما يسمح بإنشاء هياكل معقدة للغاية.
أمان الخلية ووظائفها الحيوية
الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن الخلية لم تفقد حيويتها خلال هذه العملية، بل استمرت في أداء وظائفها الحيوية والنمو والانقسام بشكل طبيعي. والأكثر من ذلك، أن الخلية قامت بنقل الهيكل المطبوع داخلها إلى إحدى الخلايا الوليدة الناتجة عن عملية الانقسام. هذا يؤكد أمان التفاعل الكيميائي وعدم تداخله القاتل مع المكونات العضوية للخلية، مما يجعل هذه التقنية واعدة للاستخدامات الطبية.
طفرة في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد
شهد العالم خلال العقد الأخير طفرة هائلة في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، التي تحولت من أداة صناعية محدودة إلى تقنية محورية تُستخدم في مجالات متعددة. هذه المجالات تشمل الإلكترونيات، والروبوتات اللينة، والطب الحيوي، وتجديد الأنسجة. الطباعة ثلاثية الأبعاد فتحت آفاقاً جديدة لتصنيع هياكل معقدة لم يكن من الممكن إنتاجها بالطرق التقليدية.
ومع ذلك، ظل هناك تحدٍ كبير يواجه هذه التكنولوجيا: القدرة على العمل داخل الخلايا الحية نفسها. فالخلية الحية ليست مجرد وحدة بناء بيولوجية، بل هي نظام معقد وديناميكي يعمل بتوازن دقيق بين البنية والوظيفة. أي تدخل فيها، خاصة إدخال أجسام صلبة أو هياكل اصطناعية، قد يؤدي إلى تعطيل وظائفها أو موتها. لهذا السبب، ظل مفهوم “البناء داخل الخلية” أقرب إلى الخيال العلمي منه إلى الواقع التطبيقي.
مقاربة جديدة في الهندسة الحيوية
لكن الدراسة الجديدة غيرت هذا الوضع تماماً، ونجحت لأول مرة في الطباعة ثلاثية الأبعاد لهياكل صلبة مباشرة داخل خلايا حية، مع الحفاظ على قدرتها على البقاء والانقسام. هذه الدراسة لا تمثل مجرد إنجاز تقني معزول، بل تفتح الباب أمام مرحلة جديدة من الهندسة الحيوية.
حيث يصبح من الممكن تعديل البيئة الداخلية للخلية نفسها، والتحكم في خصائصها الميكانيكية والبصرية والوظيفية بطرق لم تكن ممكنة من قبل. بل إن هذه التقنية تتجاوز حتى ما يمكن تحقيقه بالهندسة الوراثية التقليدية. إدخال أجسام دقيقة إلى داخل الخلايا كان دائماً تحدياً كبيراً.
الطرق المعروفة، مثل الامتصاص الطبيعي أو البلعمة، لا تنجح إلا مع أنواع محدودة من الخلايا، وغالباً ما تنتهي الأجسام المدخلة داخل حجرات مغلقة داخل الخلية. أما الحقن المباشر، فهو عملية حساسة قد تلحق ضرراً بالغشاء الخلوي وتؤدي إلى فقدان عدد كبير من الخلايا.
كيف تعمل هذه التقنية؟
بدلاً من إدخال جسم جاهز إلى داخل الخلية، يتم إدخال مادة سائلة متوافقة حيوياً، ثم “بناؤها” من الداخل وتحويلها إلى هيكل صلب وفق تصميم دقيق. يتم ذلك باستخدام نبضات ليزر فائقة القصر. وبهذه الطريقة، لا تدخل الخلية جسماً غريباً جاهزاً، بل تشارك فعلياً في عملية تكوينه داخلها.
تعتمد هذه التقنية على مبدأ فيزيائي معروف، يقوم على تفاعل الضوء مع المواد الحساسة له. التصلب لا يحدث إلا في نقطة دقيقة جداً يتركز فيها الضوء. وعند تحريك هذه النقطة بدقة في ثلاثة أبعاد، يمكن بناء هياكل معقدة بدقة تقل عن جزء من ألف من المليمتر. وقد استُخدم هذا المبدأ سابقاً للطباعة في الهواء أو السوائل، لكنه لم يُستخدم من قبل داخل خلايا حية.
الخطوات العملية للطباعة داخل الخلية
تبدأ العملية بحقن قطرة صغيرة جداً من المادة الحساسة للضوء داخل الخلية الحية، باستخدام إبرة دقيقة للغاية. بعد الحقن، تبدأ القطرة في الذوبان تدريجياً داخل السائل الخلوي، مما يفرض على الباحثين العمل خلال نافذة زمنية محددة. وخلال هذه الفترة، يتم توجيه شعاع ليزر خاص إلى داخل الخلية، بحيث يمر عبر الغشاء دون أن يؤذيه، ويتركز فقط في نقطة صغيرة داخل القطرة.
عند هذه النقطة، تتحول المادة من حالتها السائلة إلى هيكل صلب، ويتم تحريك نقطة التركيز وفق مسار محدد مسبقاً لبناء الشكل المطلوب. وبعد الانتهاء، تذوب بقايا المادة غير المتصلبة، ويبقى الهيكل الصلب داخل الخلية، محاطاً بمكوناتها الطبيعية.
إمكانات مستقبلية واعدة للطباعة ثلاثية الأبعاد الحيوية
تفتح هذه التقنية إمكانات مستقبلية هائلة، مثل عزل أجزاء معينة من الخلية داخل “غرف” صناعية صغيرة، أو تثبيت عضيات معينة لدراسة وظائفها دون تدميرها، أو حتى التحكم في صلابة الخلية نفسها لدراسة تأثير الخصائص الميكانيكية على الأمراض. الطباعة ثلاثية الأبعاد داخل الخلايا الحية تمثل نقلة نوعية في فهمنا لقدرتنا على التفاعل مع الحياة على أدق مستوياتها.
كما يفتح هذا المجال الباب أمام إدخال مكونات موصلة للكهرباء داخل الخلايا، مما قد يؤدي إلى تطوير طرق جديدة لدراسة الإشارات الكهربائية داخلها، أو حتى التحكم فيها. بل إن الباحثين ألمحوا إلى إمكانية إدخال مواد متقدمة تسمح بقياس خصائص فيزيائية دقيقة للغاية من داخل الخلية نفسها. التكنولوجيا الحيوية تشهد تطورات متسارعة، والطباعة ثلاثية الأبعاد هي جزء أساسي من هذا التطور.
مع استمرار تطوير المواد والأساليب، قد نشهد في المستقبل خلايا “مصممة” تؤدي وظائف جديدة كلياً، ما يحمل إمكانات هائلة للطب، والبحث العلمي، والهندسة الحيوية، ويعيد تعريف حدود ما هو ممكن داخل أصغر وحدات الحياة.