Bridging Biomedical Atlas Ecosystem: Cross-Atlas Alignment And Scalable Tissue Specimen Registration

لفهم جسم الإنسان بالتفصيل، أمضى العلماء سنوات في بناء نوع جديد من الخرائط. فبدلاً من رسم خطوط على ورقة مسطحة، يقومون بإنشاء إطار عمل ثلاثي الأبعاد مشترك يحتوي على بيانات من آلاف الدراسات المختلفة. تخيل محاولة تنظيم مكتبة حيث يستخدم كل كتاب لغة مختلفة وكل رف شكلاً مختلفاً؛ فبدون نظام مشترك، تظل المعلومات مبعثرة ويصعب استخدامها. في مجال الأبحاث الطبية الحيوية، يتمثل هذا في تحدي "أطلس المرجع البشري" (Human Reference Atlas). إنه نظام إحداثيات رقمي ثلاثي الأبعاد يسمح للباحثين بوضع عينات الأنسجة من أشخاص مختلفين، وأعضاء مختلفة، وتجارب مختلفة في نفس الفضاء الافتراضي. يتيح هذا الفضاء المشترك للعلماء رؤية كيفية سلوك الخلايا في القلب مقارنة بالكلية، أو كيف يبدو مرض معين عبر أفراد مختلفين، كل ذلك ضمن عرض موحد واحد. ولكي يعمل هذا النظام، يجب محاذاة كل عينة جديدة بعناية مع الخريطة الرئيسية، وهي عملية كانت تتطلب تقليدياً عملاً يدوياً بطيئاً من قبل الخبراء.

على مدار السنوات الخمس الماضية، نجح الباحثون في وضع أكثر من 13,000 مجموعة بيانات للأنسجة في هذا الإطار المشترك. تحتوي مجموعات البيانات هذه على معلومات عن أكثر من 200 مليون خلية، جُمعت من 20 مجموعة بحثية مختلفة. تتيح هذه المجموعة الضخمة استكشاف البيانات البيولوجية عبر الأعضاء، وأنواع مختلفة من الاختبارات المختبرية، ومقاييس ملاحظة متنوعة. ومع ذلك، مع استمرار نمو عدد العينات والاختبارات ومشاريع رسم الخرائط، أصبحت الطريقة القديمة المتمثلة في محاذاة كل قطعة نسيج جديدة يدوياً بطيئة للغاية ومكلفة للغاية لمواكبة هذا النمو. إن الحجم الهائل للبيانات يشكل عائقاً كبياً أمام توسيع هذا الأطلس، مما يهدد بترك الاكتشافات الجديدة معزولة خارج النظام المشترك.

ولحل هذه المشكلة، طور فريق من العلماء نهجين جديدين لتوسيع نطاق بناء الأطلس. يتضمن النهج الأول إسقاط البيانات من نوع واحد من أنظمة المراجع الطبية الحيوية مباشرة على نوع آخر، بينما يستخدم النهج الثاني تقنية تسمى "الميليتومات" (millitomes) لتسجيل كتل كبيرة من الأنسجة في عضو مرجعي دفعة واحدة. يعتمد كلا النهجين على خط معالجة برمجيات يُعرف باسم AMAP، وهو اختصار لـ "المحاذاة والإسقاط الآلي" (AutoMated Alignment and Projection). يعمل هذا النظام من خلال أخذ نماذج شبكية ثلاثية الأبعاد للأنسجة ومحاذاتها باستخدام تسجيل السحابة النقطية (point cloud registration)، وهي عملية تطابق نقاطاً محددة في نموذج ما مع نقاط مقابلة في نموذج آخر دون الحاجة إلى توجيه بشري في كل خطوة.

اختبر الباحثون هذه الأساليب على مجموعة متنوعة من النماذج البيولوجية لإثبات قدرتها على التعامل مع التعقيد الواقعي. فقد نجحوا في محاذاة بيانات من ستة نماذج تتعلق بالقلب من برنامج SPARC، ونماذج للأمعاء الغليظة من أطلس خلايا الأمعاء (Gut Cell Atlas)، وخريطة توافقية بُنيت من 500 حالة كلية، ونماذج من أطلس جوليش للدماغ (Julich Brain Atlas). وبالإضافة إلى هذه الأعضاء المحددة، استخدم الفريق خط معالجة AMAP لإسقاط سبعة نماذج "ميليتوم" عبر خمسة أعضاء مختلفة. وقد دمج هذا الجهد معلومات من أكثر من 300 موقع استخراج أنسجة متميز، مما أظهر أن النظام يمكنه التعامل مع مجموعة واسعة من البنى البيولوجية.

النتيجة هي نظام بيئي متطور من الأطالس التي أصبحت الآن متوافقة مع أطلس المرجع البشري. ومن خلال أتمتة عملية المحاذاة، أثبت الباحثون طريقة لتسجيل بيانات الأنسجة بنطاق كان مستحيلاً في السابق. وتسمح هذه القدرة ببناء خرائط مرجعية مفصلة لجسم الإنسان يمكنها استيعاب كميات هائلة من البيانات الجديدة بسرعة. ويشير هذا العمل إلى إمكانية التغلب على عقبة التسجيل اليدوي، مما يمكن المجتمع العلمي من بناء صورة أكثر اكتمالاً وسهولة في الوصول إلى البيولوجيا البشرية دون أن يعيقهم الوقت والموارد المطلوبة لمحاذاة كل عينة جديدة يدوياً.