رقعة جلدية

في عام ٢٠١٦، نُشرت دراسة من جامعة نوتنغهام تصف أول حرير عنكبوت اصطناعي مطابق وظيفيًا لحرير العنكبوت الطبيعي. باستخدام نظير الميثيونين غير الطبيعي L-أزيدوهوموألانين (L-Aha) وخلايا الإشريكية القولونية المعدلة وراثيًا، تم إنتاج بروتينات ذاتية التجميع في ظل الظروف اللازمة لتكوين الخيط. وقد بحث ج. يوهانسون وزملاؤه هذه الظروف قبل سنوات أثناء دراستهم لإنتاج بروتينات حرير العنكبوت. البروتينات المستخدمة في الدراسة هي نسخة مصغرة من مونومرات الحرير الموجودة في الطبيعة والتي تتصرف بنفس الطريقة؛ وبفضل التعديلات، تمكنت من التعبير عن مناطق وظيفية من البروتين 4RepCT، وهو بروتين حرير سحب مُعاد التركيب ذاتي التجميع، مُستخلص من عنكبوت شبكة الحضانة على طول محور الخيط. ^{[ ٣ ]}

نجحت طرق إضفاء وظائف جديدة على بروتين 4RepCT، لكنها لم تُنتج بروتينًا مستقرًا وقابلًا للتعديل والضبط في البيئات البيولوجية. يُعدّ الدمج الجيني لتسلسلات الببتيدات الوظيفية مع جينات الحرير، والربط الكيميائي للجزيئات الوظيفية بالسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية، الطريقتين الوحيدتين المعروفتين حاليًا للحصول على بروتين 4RepCT وظيفي قابل للتعديل. تتميز الطريقة الأولى بتقليل التلاعب اللاحق للترجمة في بروتين الحرير. مع ذلك، يُعدّ التلاعب الجيني صعبًا نظرًا لارتفاع محتوى GC (الجوانين-السيتوزين) في الجين، مما يؤدي إلى أخطاء في النسخ. كما تحدّ هذه الطريقة من انتشار مواقع الارتباط الوظيفية إلى موقع ارتباط واحد لكل بروتين حرير 4RepCT بوزن 25 كيلو دالتون. يمكن استخدام بروتينات محوّلة كبيرة، مثل الأجسام المضادة، لعرض المزيد من مواقع الارتباط، لكنها لا تُعتبر حلًا عمليًا. أثبتت هذه الطريقة قدرتها على إنتاج بروتينات 4RepCT ذات قدرة أعلى على الالتصاق بالخلايا مقارنةً ببروتينات سبيدروين الطبيعية، بالإضافة إلى تنوع خصائصها المضادة للميكروبات. أما الطريقة الثانية، وهي التعديل الكيميائي لبروتينات الحرير، فتتمثل في ربط عدة نسخ من مجموعة واسعة من الروابط العضوية والعضوية المعدنية بروابط تساهمية، باستخدام روابط قوية أو حساسة حسب التطبيق. ويكمن التحدي في هذه الطريقة في صعوبة جعل تعديل بروتين 4RepCT دقيقًا لموقع محدد. ويتطلب استهداف مواقع محددة تعديل الأحماض الأمينية لتكون متاحة ومتوافقة حيويًا كيميائيًا مع بقية بروتين الحرير. تُستخدم بقايا السيتوزين عادةً لهذا النوع من الاقتران من خلال إضافة مايكل، إلا أنها تميل إلى الخضوع لتفاعلات تبادل، مما يجعلها غير مستقرة لفترات طويلة في البيئة البيولوجية. هاتان الطريقتان قديمتان نوعًا ما، لكنهما كانتا مفيدتين في تأكيد إمكانية ضبط بروتين 4RepCT في مجالات مهمة كالالتصاق الخلوي، والفعالية المضادة للميكروبات، ونوع الجزيء أو الدواء المرتبط به. ^{[ 3 ]}

لاحقًا، تم ربط مجموعات الأزيد الوظيفية بالطرف الأميني لبروتين حرير خيط السحب باستخدام اقتران EDC/NHS، مما أدى إلى إنتاج أغشية مرتبطة بالبوليمر السكري ذات التصاق خلوي مُحسَّن، ومركبات هجينة من الحمض النووي والحرير ذات بنى دقيقة قابلة للتحكم. وبناءً على ذلك، درس الباحثون في هذه الدراسة دمج  3 بقايا من L-Aha في 4RepCT، مما أدى إلى${\displaystyle 4RepCT^{3Aha}}$تسمح السلاسل الجانبية للأزيد في L-Aha بربط مواقع محددة بكفاءة عالية ودقة متناهية مع العديد من الجزيئات الوظيفية المختلفة عبر ربط ستودينجر باستخدام كواشف الفوسفين، وإضافة حلقية بين الأزيد والألكاين محفزة بالنحاس (I) ( CuAAC ) أو إضافة حلقية بين الأزيد والألكاين محفزة بالإجهاد ( SPAAC ) في تفاعلات النقر. ^{[ 3 ]}

يُعدّ كلٌّ من تفاعل CuAAC وتفاعل SPAAC من تفاعلات النقر الشائعة، وغالبًا ما يُستخدمان بالتبادل في كيمياء النقر. من المعروف أن أيونات النحاس الأحادي (Cu(I)) داخل الخلايا سامة للخلايا، مما يعني أن تفاعل CuAAC ليس شائعًا مثل تفاعل SPAAC في الأبحاث التي تُفضي إلى تطبيقات حيوية. قرر الباحثون في هذه الدراسة استخدام تفاعل CuAAC، على الرغم من أن هدف البحث هو التطبيقات الحيوية، وذلك لعدة أسباب. أولًا، احتمالية ارتباط النحاس بـ${\displaystyle 4RepCT^{3Aha}}$يُعزى انخفاض تركيز البروتين إلى وجود بقايا حمض الجلوتاميك فقط، وعدم وجود بقايا الهيستيدين (وهي بقايا ذات ألفة عالية لأيونات النحاس الأحادي Cu(I)). توجد هذه البقايا في الثيوريدوكسين، وهو الشريك المُذيب المُدمج مع بروتين 4RepCT أثناء عملية التخليق. مع ذلك، لا يُسبب هذا أي مشكلة، إذ يُزال الثيوريدوكسين لتحفيز تفاعل التجميع الذاتي مع الثرومبين، مما يؤدي إلى تكوين الألياف. تُزيل إزالة الثيوريدوكسين المُحمّل بأيونات النحاس الأحادي Cu(I) جميع النحاس تقريبًا من بنية الحرير. كما قام الباحثون، باستخدام محلول منظم يحتوي على EDTA وباستخدام THPTA (الذي يُثبّت أيونات النحاس)، بشطف الألياف، مما أدى إلى إزالة المزيد من Cu(I) تاركًا  أثرًا ضئيلًا جدًا من أيونات النحاس (<0.1% وزنيًا). ثانيًا، يتفوق تفاعل CuAAC على تفاعل SPAAC في تفاعلات النقر التي تحتوي على بروتينات ذات محتوى عالٍ من السيتوزين، مثل 4RepCT. في وجود بروتينات مثل 4RepCT، غالبًا ما تُحدث عملية SPAAC تفاعلات غير مرغوب فيها في مواقع غير مستهدفة، مما يؤدي إلى ارتباط الليجاند بجزء خاطئ من البروتين، وبالتالي يصبح البروتين عديم الفائدة عمليًا. ولتحقيق أقصى عدد من المواقع الوظيفية على طول الليف، يُفضل استخدام CuAAC. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

أظهرت هذه الدراسة عملية الاقتران بوساطة تفاعل CuAAC لـ${\displaystyle 4RepCT^{3Aha}}$باستخدام نوعين مختلفين من الفلوروفورات والمضاد الحيوي ليفوفلوكساسين، تم عرض إمكانات بروتينات حرير العنكبوت المؤتلفة ذات الوظائف التساهمية كمواد حيوية ذات خصائص محسنة. وقد تمكن الباحثون من ربطها بنجاح${\displaystyle 4RepCT^{3Aha}}$باستخدام فلوروفورات الألكاين، أثبتوا إمكانية إضافة مجموعة أزيد إلى البروتين أثناء اقترانه بمحور ألياف الحرير. أظهرت نتائجهم ليس فقط تألقًا فلوريًا موحدًا شديدًا على طول محور الألياف، بل أيضًا تألقًا فلوريًا مركبًا موحدًا شديدًا عند تزيين الألياف بفلوروفورين مختلفين بنسبة 1:1. ^{[ 3 ]}

لإثبات إمكانية ربط مجموعة الأزيد الوظيفية بجزيء ذي أهمية سريرية، حاول الباحثون ربط ألياف الحرير بجزيء غليسيديل بروبارجيل إيثر (رابط حساس للأحماض) وربط الليفوفلوكساسين (مضاد حيوي يستهدف البكتيريا موجبة الغرام) بها باستخدام رابطة إسترية بين مجموعات إيبوكسيد الكربوكسيلات. وأجروا اختبار منطقة التثبيط على ألياف الحرير المُعدّلة وظيفيًا ضد بكتيريا الإشريكية القولونية NCTC 12242، حيث احتوى كل مستوى من مستويات العوامل على وسط LB. وأظهرت النتائج نجاح تعديل ألياف الحرير المُطعّمة بالليفوفلوكساسين وظيفيًا، حيث حافظت على فعالية المضاد الحيوي عبر  دائرة نصف قطرها 3.5 سم لمدة 120 ساعة، وبكثافة خلوية تُقارب 50% من مستويات العوامل الأخرى (وسط LB فقط، والحرير غير المُعدّل وظيفيًا، والحرير المُطعّم بالليفوفلوكساسين) بقيمة p ≤ 0.01. وقد تم تحقيق أقصى إطلاق مستدام لليفوفلوكساسين من الألياف لمدة 5 أيام. ^{[ 3 ]}

يُعدّ خيط العنكبوت من أقدم أنواع اللصقات الجلدية المعروفة. يُستخدم في المقام الأول لربط الجروح، إذ يتمتع اللاصق البروتيني السكري الموجود على خيوط العنكبوت الحلزونية، بالإضافة إلى البنية البروتينية للألياف نفسها، بخصائص مضادة للبكتيريا خفيفة. وقد ساهم هذا الخيط، بوصفه مطهرًا موضعيًا، في تقليل معدل الإصابة بتسمم الدم والأمراض المزمنة. كما ساعدت خصائصه المرنة اللزجة وقوة شدّه العالية ومتانته على التئام الجروح بطريقة مشابهة للشريط الجراحي.

على الرغم من تفوق حرير العنكبوت على الطرق الحالية لعلاج الجروح واسعة المساحة - كالضمادات الشاشية، وعلاجات خل العسل، والمضادات الحيوية الجهازية - واستخداماته الشائعة في اللصقات الجلدية، إلا أنه لم يُستخدم في الممارسة السريرية. تاريخيًا، يعود السبب الرئيسي لذلك إلى صعوبة تربية العناكب وحصاد الحرير. فعلى عكس ديدان القز التي تغزل الحرير لعدة ظروف يسهل محاكاتها، تغزل العناكب الحرير لأغراض محددة كاصطياد الفرائس، وهو أمر يصعب محاكاته في المختبر. إضافةً إلى ذلك، تميل العناكب عمومًا إلى أكل لحوم بعضها، مما يجعل تربية أعداد كافية منها أمرًا صعبًا. كما أن إجبار العناكب على غزل الحرير ينتج حريرًا غير مناسب. أما الاستخدامات الجلدية الأكثر شيوعًا فهي:

• لصقة جلدية لتوصيل الأدوية موضعياً
• ضمادات الجروح الموضعية المضادة للبكتيريا
• دعامات إعادة التروية الجلدية الموضعية
• لاصق مخاطي جلدي لتثبيت أجهزة توصيل الأدوية الموضعية غير اللاصقة

تشير الأبحاث إلى أن حرير دودة القز لا يمتلك أي خصائص مضادة حيوية متأصلة، بل يحاكي الخصائص الميكانيكية الحيوية، ويمكن أن يسبب ردود فعل تحسسية تنفسية قاتلة لدى بعض الأشخاص. ^{[ 5 ]}

أظهرت دراسة أجريت عام 2020 أن بروتينات حرير العنكبوت المُنتجة بتقنية إعادة التركيب الجيني تتجمع ذاتيًا عند السطح الفاصل بين السائل والهواء في محلول ساكن، مُشكلةً أغشيةً فائقة القوة والمرونة، نفاذة للبروتين. يُنتج هذا التجمع الذاتي التلقائي غشاءً نانويًا ليفيًا يدعم نمو الخلايا. تتشكل طبقة متصلة من خلايا الجلد البشري في غضون ثلاثة أيام، وتكون مناسبة للتوصيل المباشر للمريض. ^{[ 6 ]}

بما أن حرير دودة القز قد يكون قاتلاً للبشر عند ملامسته للأوعية الدموية، فلا يوجد لاصق جلدي معتمد، أو ما يشبه اللاصق الجلدي، لاستخدامه مع حرير دودة القز.