الأدوات والتقنيات المتقدمة تعطي الباحثين نظرة تفصيلية على نظام الدفاع في الجسم. بدءًا من اكتشاف الخلايا المفردة أثناء عملها وحتى تحسين النماذج الحيوانية أو استبدالها، تساعد الأساليب الموضحة أدناه علماء المناعة على توسيع حدود عملهم في عام 2025.

الفئران THX: فأر من الخارج، وإنسان من الداخل

منذ أن تم تطوير نماذج الفئران الأولى التي تحتوي على خلايا وأنسجة بشرية منذ أكثر من 40 عامًا، أصبحت أفضل بكثير في محاكاة جهاز المناعة البشري. لكنها لا تزال بعيدة كل البعد عن الدقة الكافية.

إحدى القضايا الرئيسية هي أن الفئران لديها أكثر من 1600 جينة للاستجابة المناعية لا تتطابق مع نظيراتها البشرية. ومعظم الفئران “المؤنسنة” (التي تحتوي على جينات أو خلايا أو أنسجة بشرية) لا تصنع ما يكفي من الأجسام المضادة لمحاربة العدوى، وهو ما يمثل مشكلة للباحثين الذين يدرسون اللقاحات والاستجابات المناعية، كما يقول باولو كاسالي، عالم المناعة في مركز العلوم الصحية بجامعة تكساس في سان أنطونيو. ويقول: “إنها ليست مفيدة على الإطلاق”.

يحاول فريق بقيادة كاسالي وطالب الدراسات العليا السابق دانييل تشوب، الذي يعمل الآن عالم مناعة في شركة إنفيفيد للتكنولوجيا الحيوية في ماساتشوستس، التغلب على هذه العقبة منذ عقود، وقد بدأت جهودهم تؤتي ثمارها. في ورقة نشرت العام الماضي¹قدم الفريق THX، وهو نموذج فأر يكرر جهاز المناعة البشري.

لإنشاء THX، يتم حقن الفئران بالخلايا الجذعية البشرية التي تتطور إلى مكونات مناعية مثل العقد الليمفاوية والأجسام المضادة والخلايا التائية والبائية (أنواع من خلايا الدم البيضاء). وعندما تم إعطاؤهم لقاح كوفيد-19 المعتمد على الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA)، قاموا بتكوين استجابة مناعية قوية – وهي سمة مهمة لأبحاث اللقاحات.

لقد لفتت فئران THX انتباه العديد من مجموعات البحث في الولايات المتحدة وأوروبا. يقول كاسالي: “أتلقى رسائل بريد إلكتروني كل يوم تقريبًا”. ومن بين هذه المجموعات، هناك مجموعة يقودها جيمس فوس، عالم المناعة في شركة سكريبس للأبحاث في لا جولا، كاليفورنيا، الذي يخطط لاستخدام الفئران لتعزيز عمله على العلاجات المستهدفة لفيروس نقص المناعة البشرية. استخدم فوس وفريقه تقنية التحرير الجيني كريسبر لإعادة برمجة الخلايا البائية البشرية لإنتاج أجسام مضادة يمكنها التعرف على العديد من سلالات فيروس نقص المناعة البشرية المختلفة ومنعها. وعلى الرغم من أن نماذج الفئران الحالية المتوافقة مع البشر تحتوي على خلايا بائية، إلا أنها تفشل في تكوين استجابة قوية بما يكفي من الأجسام المضادة، مما يخلق ما يسميه فوس “الكتلة النمائية”. تغلبت فئران THX على هذا القيد، وفتحت طريقًا جديدًا لأبحاثه.

بمجرد وصولها إلى السوق، من المتوقع أن تكون فئران THX رخيصة نسبيًا وأقل كثافة في العمالة لإنتاجها مقارنة بنماذج الماوس الأخرى. ويرجع ذلك إلى أنها لا تتطلب عمليات زراعة أنسجة معقدة، كما يقول فوس، الذي يأمل في البدء في استخدامها في الأشهر المقبلة. “أنا متحمس للغاية. وأعتقد أن هذا سيغير قواعد اللعبة بشكل حقيقي.”

أنظمة العضو على الرقاقة والعضوية: تحركوا أيها الفئران

بعض الباحثين هم التخلص من النماذج الحيوانية تمامًا عن طريق إنشاء نسخ مصغرة من الأعضاء والأنسجة البشرية. هذه الأنظمة، والتي تشمل منصات الأعضاء على الرقاقة و الأنظمة العضوية (مزارع الخلايا التي تحاكي وظائف الأعضاء)، توفر لقطات من الأمعاء البشرية والكبد والرئة والأعضاء الأخرى في كل من المرض والصحة.

إنه احتمال مثير لتطوير الأدوية، لأن هذه الأنظمة يمكن أن توفر نموذجًا أكثر دقة للبيولوجيا البشرية من النماذج الحيوانية، كما يقول توماس هارتونج، عالم الصيدلة بجامعة جونز هوبكنز في بالتيمور بولاية ميريلاند. ويضيف أن العديد من الأدوية التي تمت الموافقة عليها خلال العقد الماضي تعتمد على البروتينات البشرية والأجسام المضادة. “ليس من المنطقي اختبارها على نماذج حيوانية.”

تساعد نماذج الأعضاء الصغيرة أيضًا الباحثين على فهم أفضل لكيفية تفاعل أنظمة الجسم مع بعضها البعض والاستجابة للمرض. قامت ليندا جريفيث – مهندسة حيوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج – وزملاؤها بتطوير نموذج للأمعاء البشرية، لدراسة كيفية تفاعل ميكروبات العضو مع الخلايا المناعية وتنظيم الالتهاب. كما قاموا بإنشاء نماذج لمرض بطانة الرحم وسرطان البنكرياس.

يقول جريفيث إن بناء أنظمة كهذه – ومحاولة إعادة إنتاجها – أمر صعب، وهو أمر لا تستطيع العديد من المختبرات القيام به. وتضيف أن توسيع نطاقها للإنتاج الضخم هو أيضًا أمر معقد للغاية، لأنه يتطلب تدابير مكثفة لمراقبة الجودة.

وعلى الرغم من هذه العقبات، فمن المرجح أن تصبح الأنظمة الدقيقة للأعضاء والأنسجة أكثر شيوعًا في المختبرات، على الأقل في الولايات المتحدة. وفي يوليو/تموز، أعلنت المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة (NIH) أنها لن تقدم تمويلًا جديدًا بعد الآن المشاريع التي تعتمد فقط على النماذج الحيوانية لدراسة الأمراض التي تصيب الإنسان. وبدلاً من ذلك، ستعطي المعاهد الوطنية للصحة الأولوية للدراسات التي تستخدم التقنيات البشرية، بما في ذلك أنظمة الأعضاء الموجودة على الرقاقة والأنظمة العضوية.

إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) أعلنت عن خطط مماثلة هذا العام للتخلص التدريجي من التجارب على الحيوانات لصالح مزارع الخلايا البشرية والعضويات لتجارب سلامة الأدوية. أشارت خارطة طريق إدارة الغذاء والدواء الأمريكية إلى أن النماذج الحيوانية كانت ضعيفة في التنبؤ بنجاح الأدوية للعديد من الأمراض الشائعة، من السرطان إلى مرض الزهايمر. بعض المركبات التي بدت آمنة في النماذج الحيوانية، أصبحت قاتلة لدى البشر، وفقا للهيئة التنظيمية. يقول هارتونج: “إنهم يخبروننا بكل وضوح أن هذا هو شكل المستقبل”.

ScRNA-seq: تسوية تسلسل الخلية المفردة

ساعدت تقنيات قليلة الباحثين على كشف أسرار الجهاز المناعي، تمامًا مثل تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) للخلية الواحدة (scRNA-seq) – وهي طريقة لتحديد الجينات التي يتم نسخها إلى الحمض النووي الريبي (RNA) للخلايا الفردية. تم تقديم scRNA-seq في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، وقد تطور بسرعة على مدار العقد الماضي، وتم استخدامه لرسم خريطة لأنواع محددة من الخلايا المناعية ولتحديد الاختلافات الرئيسية في نشاط الجينات التي تؤثر على الاستجابة المناعية. الآن، يقوم الباحثون بمطابقة scRNA-seq مع أدوات أخرى لمنحه قدرات مختلفة.

إحدى الطرق التي تقترن بشكل جيد مع scRNA-seq هي CITE-seq، التي تحدد كلاً من الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات الموجودة على أسطح الخلايا الفردية في وقت واحد، كما تقول سارة سليمان، عالمة المناعة في جامعة كاليفورنيا، سان فرانسيسكو.

كان هذا النهج المشترك بمثابة نعمة للبحث في الخلايا القاتلة الطبيعية (خلايا الدم البيضاء التي تدمر الخلايا المريضة)، كما يقول إريك فيفييه، عالم المناعة في مركز علم المناعة في مرسيليا لوميني في فرنسا. في العام الماضي، نشر فريق فيفيير دراسة² التي استخدمت scRNA-seq وCITE-seq للكشف عن ثلاثة أنواع رئيسية من الخلايا القاتلة الطبيعية بناءً على البروتينات التي تنتجها في الأنسجة والسرطانات المختلفة. وقد ساعد ذلك الباحثين على تصميم جزيئات أفضل للخلايا، وهي جزيئات توجه الخلايا القاتلة الطبيعية لمهاجمة الأورام. واصل الفريق بناء جهاز اشتباك جديد يقوم بتنشيط جميع أنواع الخلايا القاتلة الطبيعية الثلاثة لاستهداف الأشكال المقاومة للعلاج من ليمفوما اللاهودجكين.³.

يقول فيفييه إن مثل هذه الجهود لم تكن ممكنة باستخدام التقنيات القديمة، مثل تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) بكميات كبيرة، والذي يحجب التوقيعات المميزة للخلايا الفردية.

هناك وظيفة إضافية أخرى لـ scRNA-seq، تسمى ATAC-seq أحادية الخلية، تسلط الضوء على مناطق الحمض النووي المفتوحة، ويمكن الوصول إليها، والتي يحتمل أن تكون نشطة في تنظيم التعبير الجيني، بدلاً من مجرد إظهار الجينات التي تم تشغيلها. لا تقدم هذه التقنية نظرة ثاقبة للوظيفة الخلوية فحسب، بل تسمح أيضًا للباحثين بتجميع ما يمكن حدوثه أو الاستعداد له في المستقبل. في أغسطس، وصف فريق بقيادة باحثين في كلية الطب بجامعة تسينغهوا في بكين كيف استخدموا ATAC-seq لدراسة سرطان الدم النخاعي الحاد، وهو سرطان سريع التطور يصيب الدم ونخاع العظام.⁴. وأظهر البحث كيف يمكن أن يؤدي التنظيم الجيني الخاطئ في بعض خلايا سرطان الدم إلى عودة المرض بعد العلاج.

وفي الوقت نفسه، فإن تقنية Perturb-seq هي تقنية تجمع بين scRNA-seq وتحرير الجينات بتقنية كريسبر. وهذا يسمح للعلماء بإيقاف أو تعديل الجينات عبر آلاف الخلايا في وقت واحد، وتتبع كيفية تأثير هذه التغييرات على الخلايا. يقول سليمان إنه تم استخدامه لدراسة العلاقات بين السبب والنتيجة، مثل كيف أن التغيير الجيني البسيط قد يجعل الشخص أكثر عرضة للإصابة بالعدوى أو الالتهاب. “هذا هو المكان الذي توجد فيه البيانات القوية.”