خوارزمية قد تتنبأ بفرصة الإصابة بمرض السل

في العالم الأول لا يدرك الناس ذلك دائمًا، إلا أن مرض السل لا يزال وباءً عالميًا، وبحسب التقديرات فإن حوالي ثلث سكان العالم مصابون به

الانطباع الأول عن الشخص الذي التقيناه للتو قد يترك بصمة على صورته في أعيننا لسنوات عديدة. وحتى المواجهة الأولية للبكتيريا مع خلايا جهاز المناعة لدينا تترك انطباعًا عليها قد لا يظهر إلا بعد سنوات عديدة، ويؤدي إلى تفشي المرض. وتتبع علماء معهد وايزمان للعلوم تلك "الاجتماعات الأولى" - وفحصوا "استقبال" البكتيريا على مستوى الخلية المناعية الفردية من منظور الجهاز المناعي الشامل. وبناءً على هذه النتائج، طور الباحثون خوارزمية قد تسمح في المستقبل بالتنبؤ بخطر الإصابة بالأمراض المعدية، مثل مرض السل، قبل سنوات عديدة من ظهورها. ويتم نشر البحث اليوم في المجلة العلمية Nature Communications.

يوضح الدكتور روي أبراهام من قسم المكافحة البيولوجية في المعهد: «هدفنا في المختبر هو النظر إلى الأحداث المبكرة في بداية «الارتباط» بين البكتيريا وجهاز المناعة». "بعد التعرض، قد يقتل الجهاز المناعي البكتيريا، وقد تتغلب البكتيريا على جهاز المناعة وتسبب المرض أو تظل كامنة في الجسم لسنوات. نحن نفترض أن نقطة القرار لأحد هذه السيناريوهات قد تم تحديدها بالفعل في الاجتماع الأولي - بعد 24 إلى 48 ساعة من التعرض." ولاختبار فرضياتهم، دعا فريق البحث إلى اجتماع في طبق بين بكتيريا السالمونيلا وعينة دم بشرية. قام الباحثون، بقيادة الدكتور نا بوسيل بن موشيه والدكتور شيلي تشين أفيفي من مجموعة الدكتور أبراهام، برسم خريطة بدقة خلية واحدة كيف يبدو كل نوع من الخلايا بعد تعرضه للسالمونيلا - أي ما الذي يبدو عليه. ما هي الخلية وما هو مستوى التنشيط الخاص بها.

يعد تحديد تسلسل المادة الوراثية على مستوى الخلية الواحدة من عينة دم بشرية بمثابة خبرة متاحة حاليًا في عدد محدود من المختبرات في العالم. وعلى النقيض من الطرق المتاحة لرسم خرائط المادة الوراثية في العينة بأكملها، فإن التسلسل على مستوى الخلية الواحدة يسمح بالكشف عن عالم جديد من المعلومات والتعقيد. وغني عن القول أن هذه الأداة بعيدة عن أن تكون متاحة في العيادات والمستشفيات. فكيف يمكن إذًا تسخير قوتها العظيمة لصالح الطب؟ ولتحقيق هذه الغاية، طور الباحثون خوارزمية تعتمد على قاعدة البيانات التي أنشأوها بعد المواجهة بين السالمونيلا والجهاز المناعي. تتيح الخوارزمية، المستندة إلى عملية حسابية لتفكيك الالتفاف (deconvolution)، إمكانية استخراج معلومات لم تكن متاحة سابقًا في التحليل القياسي لعينات الدم - دون الحاجة إلى التسلسل على مستوى الخلية المفردة. يقول الدكتور بوسيل: «ربما يكون أعظم ابتكار في الخوارزمية التي طورناها هو القدرة على تحديد ليس فقط تركيبة الخلايا، ولكن أيضًا مستويات نشاطها، أي ليس فقط الخلايا الموجودة فيها. العينة، ولكن أيضًا ما هي إمكانات رد فعلها."

هدفنا في المختبر هو النظر إلى الأحداث المبكرة في بداية "الاتصال" بين البكتيريا وجهاز المناعة. بعد التعرض، قد يقتل الجهاز المناعي البكتيريا، وقد تتغلب البكتيريا على جهاز المناعة وتسبب المرض أو تظل كامنة في الجسم لسنوات. نحن نفترض أن تقاطع القرار لأحد هذه السيناريوهات قد تم تحديده بالفعل في الاجتماع الأولي"

تنوع خلايا الجهاز المناعي في عينة الدم ومستويات نشاطها قبل وبعد التعرض للبكتيريا (داخل الدائرة – أنواع الخلايا، خارج الدائرة – الأنواع الفرعية لهذه الخلايا). وبمساعدة الخوارزمية من الممكن استخراج هذه المعلومات من عينة الدم دون الحاجة إلى تسلسل المادة الوراثية على مستوى الخلية الفردية

ولاختبار الخوارزمية، جمع الباحثون مجموعة من الأشخاص الأصحاء من هولندا، تم اختيارهم بناءً على سجلاتهم الطبية. وقد أصاب الباحثون عينات الدم المأخوذة من هؤلاء الأشخاص بالسالمونيلا، وعندما نظروا في طرق التحليل الموجودة عند تعبير الجينات في العينة - لم يتم العثور على اختلافات كبيرة في استجابة الجهاز المناعي؛ فقط بعد تشغيل الخوارزمية، تم الكشف فجأة عن اختلافات كبيرة. يقول الدكتور تشين أفيفي: "باستخدام الخوارزمية، تمكنا من العثور على اختلافات تفسر الاختلاف بين العينات في القدرة على قتل البكتيريا". بتشجيع من النجاح، قرر الباحثون اتخاذ خطوة إلى الأمام واختبار الخوارزمية على نوع مختلف تمامًا من البكتيريا (وأكثر فتكًا): المتفطرة السلية - البكتيريا التي تسبب مرض السل.

في العالم الأول لا يدرك الناس ذلك دائمًا، لكن مرض السل لا يزال وباءً عالميًا وبحسب التقديرات فإن حوالي ثلث سكان العالم مصابون به. إن إعطاء العلاج بالمضادات الحيوية لمئات الملايين من الناس في دول العالم الثالث لا يشكل العلاج الأمثل - خاصة في ضوء حقيقة أن 95٪ منهم لن يصابوا بالمرض أبدًا. لذلك، لا يتم العلاج إلا عند ظهور المرض وظهور الأعراض، ولكن في هذه المرحلة يكون المرض بالفعل خطيرًا للغاية، ويموت حوالي مليوني مريض بسبب مرض السل كل عام. ما الذي يميز المصابين بالسل عن أولئك الذين لا يصابون بالمرض؟ وللتحقق من وجود حلول للخوارزمية، لجأ الباحثون إلى قاعدة بيانات بريطانية سجلت حاملي مرض السل لمدة عامين. يقول الدكتور تشين أفيفي: "تشمل قاعدة البيانات الأشخاص الذين يختلف مصيرهم تمامًا - حاملون للمرض، ومرضى نشطون، وأولئك الذين أصبحوا حاملين للمرض خلال تلك الفترة". وعلى الرغم من أن الخوارزمية تعتمد على مواجهة السالمونيلا، إلا أن الباحثين تمكنوا من اكتشاف الفرق بين الأشخاص في مستوى تنشيط الخلايا الوحيدة. "بالفعل في مرحلة السبات، عندما لم يكن بإمكان أحد أن يخمن أن هؤلاء الناقلين سيصابون بالمرض، كان هناك اختلاف كبير في مستوى تنشيط الخلايا الوحيدات بينهم وبين الناقلين الآخرين. وهذا يعني أنه من الممكن على ما يبدو اكتشاف هذا الاختلاف في نقاط زمنية مبكرة، وبالتالي ربما التنبؤ بتفشي المرض".

"في المناطق المتضررة من مرض السل، مثل الصين وروسيا أو القارة الأفريقية، لا توجد موارد كافية لعلاج حامليه، لأن هؤلاء هم غالبية السكان. من ناحية أخرى، عندما يكون الناس مرضى بالفعل، يكون الوقت قد فات - إذ يُطلب منهم تناول ثلاثة أنواع من المضادات الحيوية لمدة تسعة أشهر. علاوة على ذلك، تطور البكتيريا تدريجياً مقاومة متزايدة للأدوية،" كما يقول الدكتور أبراهام. قد تسمح دراسات المتابعة، التي ستشمل، من بين أمور أخرى، توسيع قاعدة بيانات خوارزمية مرض السل، بتطوير أداة تتنبأ بمخاطر الإصابة بالمرض - وستسمح للنظام الطبي بتقديم خدمات وقائية. العلاج بالمضادات الحيوية في مرحلة يكون فيها الحمل البكتيري أصغر وتتحسن فرص الشفاء. وفي وقت لاحق، يخطط الباحثون "لتدريب" الخوارزمية على الأمراض المعدية الأخرى أيضًا.

ووفقا لمنظمة الصحة العالمية، أصيب 10 ملايين شخص بمرض السل في عام 2017، منهم ما يقرب من مليون طفل، وتوفي 1.6 مليون شخص بسبب المرض.
للمادة العلمية