يشهد علم النانو الحيوي (Nanobiotechnology) في السنوات الأخيرة تطوراً متسارعاً نحو تصميم أدوات تشخيصية قادرة على مراقبة العمليات الحيوية داخل الجسم بدقة غير مسبوقة. وفي هذا السياق، نجح فريق بحثي مشترك من المعهد الوطني للتعليم بجامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة (NIE-NTU)، وتحالف سنغافورة–معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للبحوث والتقنية (SMART)، بالتعاون مع باحثين وأطباء من المستشفى الجامعي الوطني وكلية الطب بجامعة سنغافورة الوطنية، في تطوير أول مستشعر نانوي بصري فلوري قادر على الكشف السريع والمباشر عن حمض الإندول-3-بروبيونيك (Indole-3-Propionic Acid, IPA)، وهو أحد أهم المستقلبات الحيوية التي تنتجها بكتيريا الأمعاء وترتبط ارتباطاً وثيقاً بصحة الجهاز الهضمي والعديد من الأمراض المزمنة.
يمثل هذا الإنجاز نقلة نوعية في مجال مراقبة الميكروبيوم المعوي (Gut Microbiome)، إذ يوفر لأول مرة وسيلة سريعة ومنخفضة التكلفة لرصد نشاط البكتيريا المعوية وظيفياً، بدلاً من الاكتفاء بتحديد أنواعها أو تعدادها كما هو الحال في معظم الاختبارات المتوافرة حالياً.
أهمية حمض الإندول-3-بروبيونيك في صحة الإنسان
يُنتَج حمض الإندول-3-بروبيونيك عندما تقوم بعض أنواع البكتيريا المعوية باستقلاب الحمض الأميني الأساسي التريبتوفان (Tryptophan)، وهو حمض أميني لا يستطيع الجسم تصنيعه بنفسه ويجب الحصول عليه من الغذاء. وقد كشفت الأبحاث الحديثة أن هذا المستقلب يؤدي وظائف بيولوجية متعددة تتجاوز الجهاز الهضمي نفسه، حيث يساهم في تنظيم الاستجابات الالتهابية، ومكافحة الإجهاد التأكسدي، والحفاظ على سلامة الحاجز المعوي، إضافة إلى أدوار محتملة في حماية الجهاز العصبي والكبد.
ولذلك أصبحت مستويات IPA تُعد مؤشراً حيوياً واعداً يمكن من خلاله تقييم الحالة الوظيفية للميكروبيوم المعوي، ومتابعة تطور عدد من الأمراض المزمنة، خصوصاً أمراض الأمعاء الالتهابية مثل داء كرون (Crohn’s Disease) والتهاب القولون التقرحي (Ulcerative Colitis)، فضلاً عن ارتباطه بحالات أخرى تشمل داء السكري من النوع الثاني وبعض أمراض الكبد.
ورغم هذه الأهمية الطبية المتزايدة، فإن قياس مستويات IPA ظل يعتمد حتى وقت قريب على تقنيات تحليلية معقدة تعتمد على مطيافية الكتلة (Mass Spectrometry)، وهي تقنيات دقيقة لكنها مكلفة وتتطلب تجهيزات متخصصة وخبرات مخبرية عالية، مما يحد من استخدامها في الفحوصات الروتينية أو المراقبة المستمرة للمرضى.
ولادة أول مستشعر نانوي بصري متخصص لرصد IPA
جاء الابتكار الجديد لسد هذه الفجوة التقنية. فقد طور الباحثون منصة استشعار نانوية تعتمد على ظاهرة التألق الفلوري (Fluorescence)، حيث يتفاعل المستشعر بصورة انتقائية مع حمض الإندول-3-بروبيونيك منتجاً إشارة ضوئية يمكن قياسها خلال دقائق معدودة.
وتكمن القيمة العلمية لهذا التطوير في أن المستشعر لا يكتفي بالكشف عن وجود الجزيء المستهدف، بل يستطيع التمييز بينه وبين عدد كبير من المستقلبات المشابهة الموجودة في البيئة الحيوية المعقدة للأمعاء والدم. وهذه القدرة العالية على الانتقائية الجزيئية (Molecular Selectivity) تعد أحد أكبر التحديات في تصميم المستشعرات الحيوية الحديثة.
وأوضح الباحثون أن المستشعر الجديد يمثل أول منصة استشعار ضوئية متخصصة للكشف المباشر عن مستقلب مشتق من الإندول (Indole-based Metabolite)، وهو إنجاز ظل بعيد المنال رغم سنوات من البحث في مجال تشخيص أمراض الجهاز الهضمي.
من الزراعة الدقيقة إلى الطب الشخصي
ومن الجوانب اللافتة في هذه الدراسة أن التقنية المستخدمة لم تُطوَّر أساساً للأغراض الطبية، بل نشأت ضمن برنامج بحثي كان يهدف إلى مراقبة صحة النباتات وتحسين الإنتاج الزراعي.
فقد طور فريق SMART DiSTAP على مدى سنوات تقنيات نانوية وبصرية متقدمة لقياس الهرمونات النباتية ومؤشرات الإجهاد والاستقلاب داخل النباتات الحية بصورة مباشرة. وبفضل التقدم في تقنيات التعرف الجزيئي، تمكن الباحثون من إعادة تصميم المنصة نفسها لتتعرف على جزيئات بشرية ذات أهمية طبية.
ويعكس هذا الانتقال من التطبيقات الزراعية إلى التطبيقات الطبية مثالاً واضحاً على الطبيعة متعددة التخصصات لعلم النانو الحديث، حيث يمكن للتقنيات المطورة في مجال معين أن تجد تطبيقات ثورية في مجالات مختلفة تماماً.
منصة استشعار ثنائية النمط
يتميز المستشعر الجديد بامتلاكه نمطين تكميليين من الاستشعار، يمنحانه مرونة كبيرة في التطبيقات المستقبلية.
يعتمد النمط الأول على التألق المرئي (Visible Fluorescence)، وهو مناسب لإجراء فحوصات سريعة ومنخفضة التكلفة وعالية الإنتاجية داخل المختبرات والعيادات الطبية. أما النمط الثاني فيعتمد على الأشعة تحت الحمراء القريبة (Near-Infrared Fluorescence)، وهي أطوال موجية تتميز بقدرتها على اختراق الأنسجة البيولوجية بعمق أكبر مقارنة بالضوء المرئي.
وتفتح هذه الخاصية المجال أمام تطوير تطبيقات مستقبلية أكثر تقدماً، مثل أجهزة المراقبة القابلة للارتداء (Wearable Devices)، أو أنظمة الاستشعار المزروعة داخل الجسم، أو تقنيات القياس المستمر للمؤشرات الحيوية دون الحاجة إلى سحب عينات متكررة.
التحقق السريري باستخدام عينات بشرية
وللتأكد من القيمة الطبية للمستشعر، أجرى الفريق البحثي دراسة سريرية شملت 125 عينة بلازما بشرية جُمعت من أفراد أصحاء ومن مرضى يعانون أمراضاً التهابية معوية مختلفة.
وأظهرت النتائج وجود فروق واضحة في مستويات IPA بين المجموعات المختلفة. فقد لوحظ أن المرضى المصابين بالتهابات معوية نشطة يمتلكون مستويات أقل بصورة ملحوظة من هذا المستقلب مقارنة بالأشخاص الأصحاء.
وتتوافق هذه النتائج مع المعطيات السريرية المعروفة التي تشير إلى أن انخفاض إنتاج IPA يرتبط باضطراب التوازن الميكروبي في الأمعاء وبزيادة النشاط الالتهابي داخل الجهاز الهضمي.
وبذلك أثبت المستشعر الجديد قدرته على التمييز بين الحالات المرضية والحالات الطبيعية، مما يعزز إمكاناته كأداة تشخيصية مساعدة في الممارسة السريرية المستقبلية.
تجاوز حدود اختبارات الميكروبيوم التقليدية
تعتمد غالبية اختبارات الميكروبيوم المتوافرة حالياً على تحليل الحمض النووي للبكتيريا الموجودة في الأمعاء، بهدف تحديد الأنواع الميكروبية وتركيبها النسبي. إلا أن هذا النهج لا يكشف بالضرورة عن النشاط الوظيفي الفعلي لتلك الكائنات الدقيقة.
فوجود نوع معين من البكتيريا لا يعني بالضرورة أنه نشط أو يؤدي الوظائف المتوقعة منه. ولذلك أصبح الاهتمام يتجه بصورة متزايدة نحو قياس المستقلبات التي تنتجها هذه البكتيريا باعتبارها مؤشراً مباشراً على نشاطها الحيوي الحقيقي.
ومن هذا المنظور، يمثل قياس IPA نقلة من دراسة “من يعيش في الأمعاء؟” إلى دراسة “ماذا تفعل هذه الكائنات الدقيقة بالفعل؟”، وهو تحول مفاهيمي مهم قد يعيد صياغة الكثير من أساليب تقييم صحة الميكروبيوم في المستقبل.
تطبيقات محتملة في الطب والغذاء وصناعة الدواء
لا تقتصر أهمية هذه التقنية على تشخيص أمراض الأمعاء فحسب، بل تمتد إلى مجالات عديدة أخرى. فمن المتوقع أن تسمح بمراقبة تأثير الأنظمة الغذائية المختلفة على نشاط الميكروبيوم بصورة مباشرة، حيث يمكن تقييم مدى قدرة بعض الأغذية أو المكملات الحيوية (Probiotics) على تعزيز إنتاج الجزيئات المضادة للالتهاب مثل IPA.
كما يمكن أن تصبح أداة مهمة في الأبحاث الدوائية، إذ تسمح بقياس التأثيرات البيولوجية للعلاجات الجديدة بصورة شبه فورية، مما قد يختصر زمن تطوير الأدوية ويحسن عمليات اختيار الجرعات العلاجية المثلى.
وعلى المدى الأبعد، قد تسهم هذه التقنية في ترسيخ مفهوم الطب الشخصي (Personalized Medicine)، الذي يعتمد على تصميم خطط غذائية وعلاجية مخصصة لكل فرد استناداً إلى نشاط ميكروبيومه الفعلي وحالته الاستقلابية الخاصة.
آفاق مستقبلية
حصل الفريق البحثي بالفعل على تمويل ضمن برنامج “الابتكار نحو الشركات الناشئة” (Innovation to Startup)، بهدف تحويل هذه التكنولوجيا من مختبر بحثي إلى منصة تشخيصية قابلة للاستخدام السريري.
وتشمل الخطط المستقبلية توسيع نطاق المستشعر بحيث يستطيع قياس عدة مستقلبات معوية في الوقت نفسه، إضافة إلى دمج تقنيات الذكاء الاصطناعي لتحليل الإشارات الحيوية المعقدة واستخلاص مؤشرات صحية أكثر دقة وشمولاً.
كما يدرس الباحثون إمكان دمج المنصة في أجهزة قابلة للارتداء، وأنظمة موائع دقيقة (Microfluidic Systems)، وإبر مجهرية (Microneedles)، تسمح بإجراء مراقبة مستمرة وفورية للمؤشرات الحيوية المرتبطة بصحة الأمعاء.
خلاصة
يمثل تطوير أول مستشعر نانوي فلوري للكشف السريع عن حمض الإندول-3-بروبيونيك خطوة مهمة في مسار الانتقال من دراسة التركيب الميكروبي للأمعاء إلى فهم وظائفه البيولوجية الفعلية. فالقدرة على قياس مستقلب حيوي رئيسي خلال دقائق، وبدقة عالية، قد تفتح الباب أمام جيل جديد من أدوات التشخيص والمتابعة الصحية، يتيح مراقبة أمراض الأمعاء الالتهابية بصورة أكثر سرعة ومرونة، كما يدعم التوجه العالمي نحو الرعاية الصحية الشخصية والوقائية المعتمدة على البيانات الحيوية الآنية. ومن المحتمل أن تصبح مثل هذه المستشعرات خلال السنوات القادمة جزءاً من الممارسة الطبية اليومية، تماماً كما أصبحت أجهزة قياس سكر الدم أو ضغط الدم أدوات روتينية لا غنى عنها اليوم.
