يبدأ التهاب اللثة هادئًا، فلا ينتبه إليه المريض ولا يراه طبيب الأسنان في فحصه البصري إلا بعد أن يكون النسيج الداعم للسن قد بدأ يتآكل بالفعل. ومن هنا تأتي خطورة التهاب دواعم السن Periodontitis، وهو من أكثر أسباب فقدان الأسنان شيوعًا، ويصيب أكثر من 40% من البالغين في الولايات المتحدة. تكمن المشكلة في أن المؤشرات الحيوية Biomarkers التي تُنذر بالالتهاب، وعلى رأسها السيتوكينات Cytokines، وهي بروتينات تفرزها الخلايا المناعية لتنظيم الاستجابة الالتهابية، تظهر في سوائل الأنسجة بتراكيز ضئيلة للغاية، من رتبة البيكوغرام في الملّيلتر، قبل أن يظهر أي تلف مرئي.

ولرصد هذه الجزيئات قليلة التركيز في موضعها، لا بد من وضع المستشعر على النسيج الملتهب نفسه أو بجواره مباشرةً. لكن هذا الشرط يضاعف صعوبة عملية الاستشعار؛ فالفم بيئة رطبة دائمة الحركة، تُعرّض أي مستشعر للانفصال أو التشوّه؛ كما يزخر بمئات الأنواع البكتيرية وبكمٍّ هائل من البروتينات والإنزيمات التي تتراكم على سطح المستشعر فتحجب البروتين المستهدَف، في ظاهرة تُعرف بالتلوث الحيوي Biofouling. أما التحاليل المخبرية الدقيقة مثل مقايسة المُمتَز المناعي المرتبط بالإنزيم ELISA، فهي حسّاسة لكنها بطيئة، لا تناسب عيادة الأسنان التي تتطلب تشخيصًا فوريًا بجانب كرسي المريض. فالمطلوب إذن أداة تشخيص عند نقطة الرعاية point-of-care تجمع بين الحساسية العالية، والانتقائية في وسط صاخب، والثبات الميكانيكي على نسيج رطب متحرك. وهذه الخصال الثلاث مجتمعةً هي ما يقدمه هذا البحث.

السؤال: كيف يمكن اكتشاف بروتين السيتوكين المستتر داخل بيئة الفم الرطبة المتحركة، دون أن تطمسه البكتيريا المحيطة أو تُفسده حركة الفم؟

كل عنصر من العناصر الثلاثة؛ الحساسية، والانتقائية، والثبات، يصطدم بعائق مادي مختلف. فالحساسية تتطلب مستشعرًا قادرًا على تحويل  ارتباط جزيء واحد شديد الخفاء إلى إشارة كهربائية واضحة. والانتقائية تتطلب وسيلةً تسمح للبروتين المستهدف فقط بالوصول إلى سطح الاستشعار وتمنع ما هو أكبر منه. أما الثبات فيصطدم بفارق الصلابة الكبير بين المستشعر الجسيء والنسيج اللين للّثة، وهو تباين يؤدي إلى انفصال المستشعر عن اللثة عند أول حركة. يعالج هذا العمل تلك العوائق الثلاثة بثلاث طبقات متخصصة بدلًا من حلٍّ واحد يساوم بينها.

المنهجية: ثلاث طبقات، كلٌّ منها يحلّ مشكلةً واحدة

صمّم الباحثون مستشعرًا بِبنية تتكوّن من ثلاث طبقات. أولاها وأهمها مجسٌّ حسّاس مبني على مقحل الأثر الحقلي Field-effect transistor، وهو جهاز صغير  يحوّل التغيّر الطفيف في الشحنة قرب سطحها إلى تغيّر كبير في التيار المار خلالها، ما يمنحها قدرةً على التضخيم تجعل ارتباط جزيئات نادرة قابلًا للقياس. يتكوّن قلب المجسّ من طبقة الغرافين (١) Graphene التي توفّر قناةً موصلة فائقة الحركية للشحنات، يعلوها طبقة من مادة الماكسين MXene (٢) الغنية بالمجموعات الوظيفية السطحية التي تصلح كمواقع لتثبيت المُستقبِلات الحيوية. وعلى هذا السطح ثُبِّت أبتامير Aptamer من نوع VR11، وهو خيط من الحمض النووي مُصمَّم ليلتصق حصرًا بسيتوكين TNF-α، مقرِّبًا شحنته من السطح ومُحدِثًا إزاحةً في ما يُعرف بنقطة ديراك (٣) Dirac point في خرج المقحل .

أما الطبقة الثانية فهي هلام مائي انتقائي النفاذية  Selective-permeable hydrogel (SPH)، يعمل كمنخل جزيئي إذ ضُبطت مساماته لتكون أكبر قليلًا من القطر الهيدروديناميكي لجزيء TNF-α، مما يسمح للبروتين المستهدف بالنفاذ ويحجز البكتيريا والجزيئات الأكبر، كابحًا التلوث الحيوي عند المنبع. 

أما الطبقة الثالثة فهي هلام مائي لاصق للأنسجة Tissue-adhesive hydrogel (TAH)، يرتبط بالنسيج الرطب وبركيزة المستشعر معًا عن طريق روابط تساهمية، كما يعمل كوسادةٍ لينة تمتص إجهاد حركة الفم. وقد قُرئت الإشارة عبر إزاحة نقطة ديراك أو عبر تتبّع تغيّر مقاومة قناة الترانزستور بين المصدر والمصرف.

استشعار عند حدود الفمتوغرام، مع مناعة ضد التداخل والشدّ

استجاب المستشعر لتراكيز TNF-α استجابةً تناسبية  وبلغ حدّ كشفه رتبة الفمتوغرام في الملّيلتر، وهي حساسية بالغة تكفي لالتقاط البروتين في سوائل الأنسجة قبل ظهور أي تلف مرئي، وتُعدّ من بين أفضل النتائج المسجَّلة لمستشعرات  TNF-α حتى الآن. والأهم أن هذه الحساسية لم تأتِ على حساب الانتقائية: فمن دون الغشاء النافذ، كان وجود بكتيريا الفم يكاد يطمس إشارة البروتين تمامًا؛ أما مع الغشاء، تضاءل هذا التداخل حتى صار مهمَلًا، بينما بقيت استجابة الجزيئات المشوِّشة الأخرى ضئيلةً أمام البروتين المستهدف.

أما الثبات الميكانيكي فمصدره اللاصق الهلامي الذي يرسو على النسيج بروابط تساهمية متينة، ويمتص حركة الفم كوسادة لينة. وقد ظلّت إشارة المستشعر شبه ثابتة تحت الشدّ المتكرر، فميّز إشارة البروتين عن «ضجيج » الحركة بوضوح. وقد تدرّج التحقق من الأداء من المختبر، أي في بيئة اصطناعية in vitro، إلى لثة خنزير معزولة، أي خارج الجسم الحي ex vivo، حتى اختبرت  في أجسام خنازير غينيا حيّةٍ in vivo عبر وصلة  لاسلكية محمولة تبثّ القراءة آنيًّا، وقد دلّت النتائج على أنّ المادتين الهلاميتين متوافقتان حيويًا، أي لا تُلحقان ضررًا بالخلايا المحيطة بهما.

ماذا بعد؟

رغم أهمية التصميم المطروح، يبقى الطريق إلى استخدامه في عيادة الأسنان طويلًا. فالجهاز حتى الآن يكشف TNF-α وحده؛ لكن الفريق يعتزم توسيع قائمة العلامات الحيوية عبر تثبيت أجسام مضادة نوعية. كذلك تحكم فيزياءُ الانتشار سرعةَ الاستجابة إذ يحتاج البروتين دقائق ليرتحل من موضع الالتهاب إلى سطح المجسّ قبل أن تستقرّ القراءة، وإن أمكن تقصير ذلك بترقيق الغشاء. ويزيد الأمر صعوبةً أن اللثة نسيج منخفض النفاذية، يُفرز كميةً ضئيلة من السائل يُخفِّفها اللعاب سريعًا. كما اقتصر التحقق الحيوي على عيّنتين فقط من الحيوانات، ولم تُختبر بعدُ الكفاءة السريرية على البشر. ويذكّرنا الباحثون بمعايير منظمة الصحة العالمية ASSURED لأجهزة نقطة الرعاية - أن تكون منخفضة التكلفة، وحسّاسة، ونوعية، وميسورة الاستخدام، وسريعة، ومتينة - وهي معايير لم يبلغها بعدُ أي جهاز كمّي في طب الفم؛ وهذا العمل خطوة نحوها، لا وصولٌ إليها.

على الهامش

١- الغرافين Graphene: صفيحة بسماكة ذرّة واحدة من الكربون المرتّب في شبكة سداسية، تتميّز بموصلية كهربائية وحركية شحنات استثنائية تجعلها قناةً مثالية في المستشعرات الإلكترونية.

٢- ماكسين MXene: عائلة من المواد ثنائية الأبعاد قوامها كربيدات أو كربونيتريدات فلزية انتقالية، تجمع بين موصلية عالية ووفرة مجموعات وظيفية سطحية (هيدروكسيل وكربوكسيل) تصلح لتثبيت المُستقبِلات الحيوية.

٣- نقطة ديراك Dirac point: نقطة التعادل الكهربائي في الغرافين حيث تبلغ كثافة الحاملات أدناها؛ وإزاحةُ موضعها تعكس تغيّر الشحنة على السطح، وهي الإشارة التي يُقرأ منها التركيز هنا.