High-Throughput Morphological Profiling of Patient-Derived Human Liver Organoids for Hepatotoxicity Hazard Identification and Compound Prioritization

يعتبر الكبد محطة المعالجة الكيميائية في الجسم، حيث يقوم بتصفية السموم من الدم وتفكيك الأدوية حتى يمكن استخدامها أو التخلص منها بأمان. ولأن هذا العضو يعمل بجهد كبير، فإنه يعد أيضاً الموقع الأكثر شيوعاً للضرر الناتج عن الأدوية الجديدة. فعندما يضر الدواء بالكبد، يمكن أن يؤدي ذلك إلى مرض شديد أو يجبر علاجاً واعداً على السحب من الأسواق، وهو فشل يكلف سنوات من البحث ويترك المرضى دون علاجات. لعقود من الزمن، حاول العلماء التنبؤ بالأدوية التي ستؤذي الكبد قبل أن تصل إلى مريض بشري. وقد اعتمدوا على اختبارات باستخدام خلايا حيوانية أو خلايا بشرية بسيطة مزروعة في طبقات مسطحة على البلاستيك. ومع ذلك، فإن هذه النماذج القديمة غالباً ما تخطئ الهدف لأنها تفتقر إلى البنية المعقدة ثلاثية الأبعاد للكبد الحقيقي وإلى التركيبة الجينية المحددة لمختلف الناس. ونتيجة لذلك، فإن العديد من الأدوية التي تبدو آمنة في المختبر تظهر خطيرة في العيادة، بينما يتم استبعاد أدوية أخرى قد تكون آمنة في وقت مبكر جداً.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ميشيغان طريقة جديدة لاختبار سلامة الأدوية تسد هذه الفجوة. فبدلاً من استخدام الخلايا المسطحة أو الحيوانات، قاموا بزراعة مجموعات صغيرة ثلاثية الأبعاد من أنسجة الكبد البشرية، المعروفة باسم "العضويات" (organoids)، من خلايا جذعية مأخوذة من مرضى حقيقيين. تحتوي هذه الأنسجة الصغيرة على أنواع متعددة من خلايا الكبد التي تعمل معاً، تماماً مثل نسخة مصغرة من العضو نفسه. ثم عرض الباحثون هذه الأنسجة الحية لمجموعة واسعة من الأدوية واستخدموا كاميرات متطورة لالتقاط آلاف الصور التفصيلية لكيفية ظهور الخلايا وسلوكها. ومن خلال تدريب جهاز كمبيوتر على التعرف على التغيرات الطفيفة في شكل وبنية الخلايا، أنشأ الفريق نظاماً يمكنه رصد العلامات المبكرة لتلف الكبد قبل أن تموت الخلايا فعلياً. يوفر هذا النهج طريقة أكثر محاكاة للبشر لفحص الأدوية، مما قد يساعد في اكتشاف الآثار الجانبية الخطيرة في وقت مبكر وبدقة أكبر من أي وقت مضى.

لبناء هذا النظام، بدأ العلماء بجمع عينات دم من سبعة أفراد: ستة مرضى عانوا سابقاً من إصابة الكبد الناجمة عن الأدوية، وشخص واحد سليم ليس لديه تاريخ من مشاكل الكبد. قاموا بإعادة برمجة الخلايا من هذه العينات الدموية إلى خلايا جذعية، والتي يمكن أن تتحول إلى أي نوع من الأنسجة في الجسم. ثم تم توجيه هذه الخلايا الجذعية لتنمو لتصبح عضويات كبدية. ولأن هذه العضويات جاءت من أشخاص حقيقيين، فقد حملت البصمات الجينية الفريدة للمتبرعين. وهذا يعني أن الباحثين استطاعوا رؤية كيف قد تتفاعل كبِدُ أشخاص مختلفين مع نفس الدواء، مما سمح بالتقاط التباين الطبيعي الموجود في البشر. قام الفريق بتنمية هذه العضويات، وتفكيكها إلى خلايا مفردة، ووضعها في آبار صغيرة على طبق، حيث تمت معالجتها بـ 74 دواءً مختلفاً. كانت بعض هذه الأدوية معروفة بأنها تسبب ضرراً للكبد، بينما كان بعضها الآخر معروفاً بأنه آمن.

بعد ثلاثة أيام من التعرض، قام الباحثون بتثبيت الخلايا وصبغها بصبغات فلورية خاصة أبرزت أجزاء معينة من الخلية، مثل النواة، والميتوكوندريا المنتجة للطاقة، وقطرات الدهون. ثم استخدموا مجهراً عالي القدرة لالتقاط صور تفصيلية لآلاف الخلايا في كل بئر. ولم يكن الابتكار الرئيسي في التقاط الصور فحسب، بل في كيفية تحليلها. فبدلاً من مجرد عد عدد الخلايا الحية أو الميتة، استخدموا برنامج كمبيوتر لقياس مئات التفاصيل الدقيقة حول أشكال وأنسجة الخلايا. تعلم الكمبيوتر التعرف على أنماط محددة تشير إلى الإجهاد أو الإصابة، مثل التغيرات في شكل النواة أو تراكم الدهون. سمحت هذه الطريقة باكتشاف علامات التحذير الخفية التي قد تغفل عنها الاختبارات التقليدية التي تبحث فقط عن موت الخلايا.

أظهرت النتائج أن هذه الطريقة الجديدة كانت فعالة للغاية في التمييز بين الأدوية الخطيرة والآمنة. فعندما حلل الكمبيوتر الصور من العضويات، حدد الأدوية الضارة بدقة عالية، وبشكل أفضل بكثير من الاختبارات التي تقيس بقاء الخلايا فقط. كان النظام حساساً لدرجة أنه استطاع رصد العلامات المبكرة للمشاكل حتى عندما كانت الخلايا لا تزال حية. ومن المثير للاهتمام، وجد الباحثون أن استخدام مزيج من العضويات من جميع المتبرعين السبعة أعطى أفضل النتائج. وبينما تفاعلت خلايا كبد كل متبرع بشكل مختلف قلياً، فإن متوسط استجاباتهم خلق شبكة أمان أكثر موثوقية من الاعتماد على نوع واحد فقط من الخلايا. يشير هذا إلى أن اختبار الأدوية على مجموعة متنوعة من الأنسجة البشرية أمر بالغ الأهمية لرصد النطاق الواسع للطرق التي قد يتفاعل بها الناس مع الدواء.

كما كشفت الدراسة أن رد فعل الكبد تجاه الأدوية ليس دائماً نفسه لدى الجميع. فقد تسببت بعض الأدوية في تغيرات متشابهة في جميع العضويات، بينما أدت أدوية أخرى إلى استجابات مختلفة تماماً اعتماداً على المتبرع. على سبيل المثال، تسبب أحد الأدوية في تحول هائل في كيفية ظهور الخلايا لدى بعض المتبرعين، بينما لم يكن له أي تأثير تقريباً في آخرين. يعكس هذا التباين ما يحدث في العالم الحقيقي، حيث يمر بعض الناس بوعكة صحية بسبب دواء ما بينما لا يتأثر آخرون. ومن خلال قياس مقدار الدواء المطلوب بالضبط لإحداث هذه التغييرات، تمكن الباحثون من ترتيب الأدوية حسب قدرتها على إحداث الضرر. ووجدوا أنه بالنسبة للعديد من الأدوية، كانت الكمية اللازمة لإحداث ضرر في المختبر قريبة من المستويات الموجودة في دم الإنسان، مما يشير إلى أن الاختبار ذو صلة بالتعرض في العالم الحقيقي.

كان أحد أهم النتائج هو أن النظام يمكنه اكتشاف أنواع محددة من إصابات الكبد بناءً على الأنماط المرئية التي يراها. قام الكمبيوتر بتجميع الأدوية في مجموعات بناءً على كيفية تغييرها للخلايا. تسببت مجموعة من الأدوية في جعل الخلايا تبدو وكأنها تعاني في إنتاج الطاقة، بينما جعلت مجموعة أخرى الخلايا تمتلئ بالدهون أو تغير بنية غشائها. هذه القدرة على رؤية "بصمة" الضرر تساعد العلماء ليس فقط في معرفة أن الدواء سام، بل في فهم كيف قد يؤذي الكبد. وفي حالة ملحوة، تم تحديد دواء يسمى "سولينداك" (sulindac)، والذي فات النظام رصده سابقاً، كدواء خطير عندما أضاف الباحثون كمية صغيرة من إشارة التهابية إلى الاختبار. أظهر هذا أن النظام يمكن تعديله لالتقاط الأدوية التي تسبب إصابة فقط في ظل ظروف معينة، مثل عندما يكون الجسم ملتهباً بالفعل.

على الرغم من نجاحه، فقد أشار الباحثون بحذر إلى حدود عملهم. فالنظام مصمم للإشارة إلى المخاطر المحتملة وترتيب الأدوية حسب الخطورة، وليس للتنبؤ بدقة بمن سيصاب بالمرض أو متى. إنه يعمل كأداة إنذار مبكر لمساعدة العلماء في اتخاذ القرار بشأن الأدوية التي يجب المضي قدماً بها والتي يجب استبعادها. كما سلطت الدراسة الضوء على أن بعض الأدوية المعروفة بأنها تسبب إصابات كبدية نادرة مرتبطة بالمناعة لا تزال صعبة الاكتشاف لأن العضويات تفتقر إلى الجهاز المناعي الكامل الموجود في جسم الإنسان. ومع ذلك، فإن القدرة على إضافة إشارات التهابية إلى الاختبار تشير إلى مسار مستقبلي لتحسين النظام بشكل أكبر.

في النهاية، يوضح هذا البحث أن زراعة أنسجة كبدية صغيرة مشتقة من المرضى ومراقبتها بكاميرات متطورة يمكن أن يوفر صورة أوضح بكثير لسلامة الأدوية مقارنة بالطرق القديمة. ومن خلال التقاط التغيرات الطفيفة والمبكرة في بنية الخلايا ومراعاة الاختلافات الطبيعية بين الناس، يقدم هذا النهج طريقة جديدة وقوية لحماية المرضى من إصابات الكبد. إنه يمثل تحولاً من مجرد السؤال عما إذا كان الدواء يقتل الخلايا إلى السؤال عن كيفية تغييرها، مما يوفر فهماً أعمق وأكثر صلة بالواقع البشري لكيفية تفاعل الأدوية مع أجسادنا. ومع استمرار تطور صناعة الأدوية بعيداً عن التجارب على الحيوانات، ستكون أدوات مثل هذه ضرورية لضمان أن تكون العلاجات الجديدة فعالة وآمنة لمختلف فئات السكان التي تهدف لخدمتها.