كيف يمكن للكيمياء أن تحسن صحتنا

• كيف يمكن للكيمياء أن تجعلنا أكثر صحة

قريبًا: كيف تحول الكيمياء الرعاية الصحية في القرن الحادي والعشرين. جيريمي نيكولسون من جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا يتحدث عن الفينوميات. جيما شارب تشارك كيف تم إنشاء أكبر بنك حيوي لسائل الحيض في العالم. ديفيد نات من إمبريال كوليدج يشرح آليات عمل الأدوية، والحائز على جائزة نوبل ديفيد بيكر يناقش دور الذكاء الاصطناعي في علاج الأمراض. أنتجت ليلاني آرو-سميث، طالبة الكيمياء في جامعة كامبريدج، هذه الحلقة.

00:44 - علم الفينوميات وما يكشفه عن الأمراض

علم الفينوميات وما يكشفه عن الأمراض جيريمي نيكولسون، جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST)

نبحث اليوم في الدور الذي تلعبه الكيمياء في الطب، وكيف تساعد في كسر القالب فيما يتعلق بكيفية التنبؤ بالأمراض وتشخيصها وعلاجها بطريقة شخصية. تاريخيًا، افترض الكثيرون أن الإجابة ستكمن في الشفرة الوراثية (DNA) التي نحملها جميعًا، وأن قراءة تلك الشفرة ستشير مباشرة إلى عوامل خطر الإصابة بالأمراض. لكن الجينات نادرًا ما تعمل بمعزل عن غيرها، وحمل جين مرتبط بمرض لا يضمن أن هذا المرض سيظهر تأثيره السلبي على الإطلاق. لأن الأهم هو كيف تتفاعل كوكبة الجينات التي نحملها جميعًا مع البيئة التي نعيش فيها ونمط الحياة الذي نتبعه. هنا يبرز علم الفينوميات. يهدف العلماء هنا إلى قياس ومقارنة المستويات النسبية لآلاف - أو حتى ملايين - الجزيئات وربطها بالنتائج النهائية للمرض. الفرضية الأساسية هي أن البيئة الكيميائية الحيوية داخل كل واحد منا تمليها تركيبتنا الوراثية التي تعمل مع المواد الخام التي توفرها ظروف معيشتنا. لذلك، إذا قمنا بقياس كيمياء جسمنا الحيوية، يمكننا استنتاج أين تكمن مخاطر الأمراض الحقيقية لدينا. رائد في هذا المجال هو جيريمي نيكولسون في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا، وقد تحدث مع كريس سميث...

كريس - ما الذي يمكنك إخبارنا به فيما يتعلق بالقيود المفروضة على طريقتنا الحالية في محاولة تشخيص الأشياء أو تحديد من هم المعرضون للخطر باستخدام تقنيات مثل علم الوراثة وما إلى ذلك؟

جيريمي - في حالة علم الوراثة وعلم الجينوم، فإن علم الجينوم هو القدرة على قياس الكثير من الجينات لفرد ما وتحديد تركيبته الوراثية. لقد تطورت هذه التقنيات بسرعة كبيرة جدًا، ومن وجهة نظر تحليلية أصبحت سريعة للغاية مقارنة بما كانت عليه في السابق. ومع ذلك، لا تزال محدودة فيما يمكن أن تخبرك به وأيضًا من حيث القدرة المطلقة. لذا في الوقت الحالي، ربما تبلغ القدرة العالمية الإجمالية لإجراء الجينوميات البشرية حوالي مليون، ربما مليون ونصف في السنة، وهو ما يبدو كثيرًا حتى تتذكر أن هناك تسعة مليارات شخص على الكوكب، لذا يمكن أن يستغرق الأمر آلاف السنين لإجراء جميع الجينوميات بتقنيتنا الحالية. لكن الشيء المهم، حقًا بالنسبة لي، هو أن الجينات لا تخبرك بكل شيء. تحصل على الجينات في بداية حياتك، بالطبع، وهي تعمل على الكثير من المسارات المختلفة، لكنها تتأثر بالبيئة. لذا فإن ما يسمى بالتفاعل بين الجين والبيئة، كيف تأكل، كيف تعيش، ما إذا كنت تمارس الرياضة أم لا، كل هذه الأشياء تؤثر على مخاطر إصابتك بالمرض لاحقًا في الحياة. لا شيء من ذلك يتم التقاطه بواسطة الجينوميات. لا شيء من التفاعلات يتم التقاطه. لذا فإن الجينوميات تعطيك فقط القدرة المحتملة للإصابة بمرض بناءً على مجموعة من المتغيرات الجينية المعروفة.

كريس - لنفترض أن لدي جينًا يعني أنني معرض لخطر كبير للإصابة بإدمان الكحول. سيكون لشركة التأمين الخاصة بي رأي في ذلك، ولكن إذا لم أقترب أبدًا من قطرة كحول، فلن يحدث ذلك أي فرق على الإطلاق في نتيجة مرضي، أو توقعات طول عمري، وما إلى ذلك، لأنه لن تتاح له الفرصة للتفاعل مع بيئة تظهر تأثير هذا الجين.

جيريمي - صحيح تمامًا.

كريس - بالنظر إلى هذا القيد، أعني، إذا قرأنا جينومات الناس فقط، فقد نحصل على انطباع خاطئ حينها. كيف نصلح ذلك؟

جيريمي - قراءة جينومات الناس ليست عملية حقًا على نطاق واسع لسكاننا. الجينوميات جيدة جدًا في بعض المجالات المختارة بعناية، مثل البحث عن طفرات BRCA لأشياء مثل سرطان الثدي وسرطان المبيض، وما إلى ذلك، وهي مفيدة جدًا لتحديد المخاطر للأشخاص وأيضًا لمحاولة اختيار العلاجات. نسمي ذلك الجينوميات المستهدفة، حيث تبحث عن علامات محددة جدًا للمرض. ولكن فيما يتعلق بتسلسل الجينوم الكامل، نحن حرفيًا لا شيء على نطاق واسع لكي نتمكن من فحص الأشخاص بحثًا عن مؤشرات جينية مختلفة تشير إلى احتمالية الإصابة بأمراض معينة.

كريس - إذن كيف نحل المشكلة؟

جيريمي - حسنًا، يجب أن نتجاوز علم الوراثة، ونعتمد تقنيات قابلة للتطوير والتحويل إلى عامة السكان للأمراض الهامة. أحد الأمراض المفضلة لدي هو أمراض القلب والأوعية الدموية. إنه أحد الأشياء التي تقتل معظم الناس على هذا الكوكب، وهو مزيج من الجينات والبيئة، وما تأكله، ومقدار ما تمارسه من رياضة. لكن علم الجينوم ليس جيدًا جدًا في التنبؤ بذلك على الإطلاق، لكن سماتك الأيضية هي كذلك. لذا عندما كنا نجري أبحاثنا حول كوفيد-19 قبل بضع سنوات، اكتشفنا بعض المؤشرات الجديدة لمخاطر القلب والأوعية الدموية في أنماط البروتين الدهني التي لديك في الدم، والتي تتأثر بالفيروس، والتي تغير مخاطر القلب والأوعية الدموية لدى الناس. وأمراض القلب والأوعية الدموية هي إحدى عواقب كوفيد الطويل، على سبيل المثال. الآن، هذه الاكتشافات التي قمنا بها، والتي كانت من خلال الكيمياء، تمكنا من إجراء اختبار أبسط بناءً على ما اكتشفناه وتصغيره إلى أجهزة أصغر بكثير، والتي يمكننا الآن نشرها، لن أقول في منزلك، ولكن أقرب بكثير من مستشفى كبير أو مختبر كبير. لذا فإن اكتشاف المؤشرات التي تشير إلى خطر الإصابة بالأمراض الرئيسية، والتي يمكنك بعد ذلك تقليل حجمها، وتقليل تكلفتها، وتوسيع نطاقها بحيث يمكن لأي شخص تقريبًا إجراء أحد هذه الاختبارات مقابل 5 جنيهات إسترلينية أو شيء من هذا القبيل.

كريس - أليست المشكلة الكبيرة، مع ذلك، هي أننا في الأساس كومة قش كيميائية حيوية، أنا وأنت، وكل شخص على هذا الكوكب، وهناك ملايين وملايين من المجهولات غير المعروفة، لذلك لا نعرف ماذا نبحث عنه. فكيف تجد الإبر، تلك المؤشرات التي تشير إليها، في أكوام القش الكيميائية الحيوية تلك لتقول إن هذه هي المهمة، هذه هي التي لديها القدرة التنبؤية حول مخاطر جيريمي أو كريس المستقبلية لأمراض القلب والأوعية الدموية؟

جيريمي - ما نسميه الكيمياء التحليلية الاستكشافية، بعض الناس يسمونه الصيد بالمناسبة، ولكن لديك نوع من النهج الشامل حيث تقيس أكبر عدد ممكن من الأشياء، عادةً باستخدام تقنيات تقيس الكثير من الأشياء في وقت واحد، مثل مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية الكتلة كمثالين كيميائيين. ثم لديك مجموعتان، أو أكثر، مجموعات محددة، لديك شيء طبيعي، شيء غير طبيعي، وتقول، حسنًا من بين كل تلك الآلاف من الأشياء التي قسناها، ما هي الأشياء التي تختلف رياضيًا وإحصائيًا وترتبط بالمرض؟ وهذا يقلل مساحة البحث إحصائيًا. وبعض هذه الجزيئات، كما أشرت بشكل صحيح تمامًا، غالبًا ما تكون مجهولة تمامًا، وقد لا تكون موجودة حتى في أي كتاب كيمياء أو كيمياء حيوية، هناك الكثير من التعقيد في البشر. لذلك ما يتعين علينا استخدامه هو التقنيات الكيميائية، بما في ذلك الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية الكتلة، لهيكلة هذه المركبات، والعثور على التركيب الكيميائي الدقيق، وبمجرد أن نعرف التركيب، يمكننا البدء في معرفة كيفية ارتباط ذلك بالعملية المرضية. هل هو مؤشر حيوي ناتج عن تلك العملية المرضية؟ هل هو مؤشر يتعلق بآلية العملية المرضية؟ وبمجرد أن نفهم تلك التفاصيل الميكانيكية والكيميائية التي تكمن وراء العملية المرضية، يمكننا البدء في التفكير فيما إذا كانت تلك العملية قابلة للعلاج الدوائي، وما إذا كان بإمكاننا بناء شيء ما يمنع مسارًا، أو يعزز مسارًا، أيًا كان ما يحدث.

كريس - كنت تقول إن العائق الحالي في القيام بذلك وراثيًا هو أننا لا نستطيع إجراء عدد كافٍ من الجينومات لجعل هذا واقعيًا، ولكن هل الكشف عن هذه المواد الكيميائية الحيوية أكثر واقعية إذن؟ هل هذا شيء يمكننا القيام به بطريقة عالية الإنتاجية لفحص أعداد هائلة من الناس، والبحث عن أعداد هائلة من الجزيئات، ثم ربط تلك الجزيئات بالنتائج السريرية لمعرفة ما يتنبأ بماذا؟

جيريمي - إنه ليس قابلاً للتطوير بالكامل لجميع الأمراض لأننا لا نعرف كل الخصائص المختلفة، ولكن بالنسبة للعديد من الأمراض الهامة سيكون قابلاً للمعالجة. والشيء الآخر هو أن التكنولوجيا تتقدم، لذلك فإن التكنولوجيا الكيميائية في حركة دائمة. لذا عندما كنا نتحدث قبل بضع سنوات عن الفينوميات واسعة النطاق، كان لدينا الكثير والكثير من أجهزة مطيافية الكتلة والرنين المغناطيسي النووي تقيس آلاف الأشياء، ولكن تتوفر الآن أجهزة مطيافية كتلة جديدة يمكنها قياس مليون عينة في الأسبوع، مليون عينة بول أو مليون عينة دم لمئات أو آلاف الجزيئات. لم تظهر هذه التكنولوجيا حقًا إلا في السنوات القليلة الماضية، وهي واحدة من الأشياء الموجودة في قائمتنا والتي نحتاج إلى اختبارها لمدى قابليتها للتطوير لعامة السكان. لذا فهو مزيج من المعرفة والنهج العلمي للأنظمة المعقدة وفهم التفاعلات بين الجينات والبيئة وما يعنيه ذلك في الجسم، ولكن في نفس الوقت يجب أن يكون لديك التطورات المناسبة في التكنولوجيا وكذلك في الحوسبة. كل هذا يتضمن الكثير من الأرقام، لذلك أصبح الذكاء الاصطناعي جزءًا مهمًا بشكل لا يصدق مما نقوم به كمجموعة وسيكون مهمًا في المستقبل لجعل هذه التقنيات أكثر سهولة.

09:29 - بنك حيوي لتحويل صحة الحيض

بنك حيوي لتحويل صحة الحيض جيما شارب، جامعة إكستر

تستخدم الكيمياء في التشخيصات، والمعروفة أيضًا بالكيمياء السريرية أو الباثولوجيا الكيميائية، التحاليل الكيميائية والكيميائية الحيوية لسوائل الجسم لتشخيص الأمراض ومراقبتها وإدارتها. يقوم فريق في أكبر بنك حيوي لسائل الحيض في العالم بذلك تحديدًا في محاولة لتحويل فهمنا لصحة الحيض. جيما شارب - التي تقود دراسة CycleTrack في جامعة إكستر - تحدثت إلى كريس سميث عن كل ذلك...

جيما - نحن نتبع الأشخاص الذين يحيضون على مدى ثلاث دورات حيض. نقوم بجمع بيانات غنية جدًا عن جميع جوانب حياتهم، ما كانوا يفعلونه مؤخرًا، أعراضهم، كيف يشعرون، الصحة العقلية، الصحة البدنية، ونجمع أيضًا سائل الحيض جنبًا إلى جنب مع تلك المعلومات. ثم نأمل في استخدام كل تلك البيانات الغنية جدًا لمحاولة فهم المزيد عن صحة الحيض بشكل عام. أعتقد أن هناك الكثير من الأسئلة التي يمكننا على الأرجح معالجتها بهذا النوع من البيانات، لكن سؤالنا الأول المحدد الذي نهتم به هو، هل يمكننا تحديد النساء المعرضات لخطر نقص الحديد أو الضرر من نزيف الحيض الشديد؟

كريس - هذا هو في جوهره بنك حيوي للحيض. لديك جميع البيانات السريرية ولديك العينات المصاحبة لها.

جيما - نعم، بالضبط. سيكون لدينا حوالي 3600 عينة جنبًا إلى جنب مع كل هذه البيانات النمطية الظاهرية الغنية جدًا. أي بيانات غير بيولوجية.

كريس - ما هي الأعمار التي ستنظرون فيها وكيف ستقومون بتجنيدهم؟

جيما - أحدهم يسمى "أطفال التسعينيات" ومقره في بريستول وقد تم متابعة هؤلاء الأفراد منذ الولادة وجميعهم ولدوا في عام 91 أو 92. ثم "ولدوا في برادفورد" هو مجموعتنا الأخرى ومقرهم في برادفورد وهم في الغالب أمهات الفوج الولادي. لذا فهم جميعًا نساء أنجبن طفلاً حوالي عامي 2007 إلى 2011. لذا فهم أكبر سنًا قليلاً، لكننا نركز تحديدًا على النساء اللاتي لا يزلن يحيضن. لذا تتراوح أعمارهن بين منتصف الثلاثينيات ومنتصف الأربعينيات.

كريس - دعنا نتحدث عن الجوانب العملية لدقيقة واحدة. أنت تتحدث عن سائل بيولوجي. كيف ستقومون بجمعه وكيف سيقوم الناس بإيصاله إليكم وكيف ستقومون بتخزينه؟

جيما - نعم، سائل الحيض صعب جدًا التعامل معه. إنه مزيج من الدم، ولكن أيضًا أشياء أخرى. مثل الأنسجة من بطانة الرحم. هناك الكثير من الإنزيمات التي تميل إلى تحليله ومن الصعب جدًا نقله. لذلك لم نرغب في أن يضطر المشاركون إلى الحصول على عينة بمجرد جمعها وإيصالها مباشرة إلى مختبرنا. لذلك كنا نعمل مع شركة تصنع فوطة حيض معدلة لجمع عينة سائل حيض مجففة. هذا يعني أن سائل الحيض ينتقل إلى شريط ورق ترشيح مخفي داخل فوطة الحيض ثم يجفف شريط ورق الترشيح الدم بسرعة كبيرة. يضعونه في علبة صغيرة ويرسلونه إلى مختبرنا. لذلك يأتي إلينا كعينة مجففة وهو سهل التنفيذ للمشاركين ثم يكون أسهل لنا للتعامل معه في المختبر أيضًا.

كريس - كيف سيجد الباحثون ذلك مفيدًا؟ ما الذي سيتمكنون من فعله به ولا يستطيعون فعله في الوقت الحالي بما هو متاح لنا؟

جيما - حاليًا إذا أردت تحديد ما إذا كانت شخص ما يعاني من نزيف حيض شديد، فإنه في الواقع صعب جدًا. لذا يبدو الأمر سهلاً، فقط تسألهم هل لديهم فترات حيض شديدة. ومع ذلك، لا يعرف الكثير من الناس. لدينا فهم ضعيف جدًا لماهية فترة الحيض الشديدة ويمكن أن تعني أشياء مختلفة لأشخاص مختلفين ولأن سائل الحيض ليس مجرد دم، يمكنك الحصول على حجم كبير مما يبدو وكأنه فقدان للدم ولكن في الواقع لا تفقد الكثير من الدم والعكس تمامًا. أي، تفقد الكثير من الدم ولا تدرك ذلك حقًا. ما نأمله حقًا هو أنه من خلال العينات التي نجمعها، سنتمكن من تطوير أداة تشخيصية تساعدنا في تحديد النساء المعرضات لخطر الضرر بسبب نزيف الحيض الشديد من سائل الحيض الفعلي لديهن.

كريس - لقد فهمت تمامًا ج