Cell Painting and machine learning for mechanistic profiling of hepatotoxic botanicals and their constituents

لطالما لجأ الناس إلى النباتات لدعم صحتهم، من الشاي البسيط إلى المكملات العشبية المعقدة. وتعد هذه المنتجات النباتية جزءًا ضخمًا من صناعة العافية العالمية، ومع ذلك فهي تفرض تحديًا فريدًا لخبراء السلامة. فخلافًا للمادة الكيميائية الدوائية الواحدة، فإن عبوة المكمل العشبي هي خليط معقد يحتوي على مئات المركبات المختلفة. وبينما نعلم أن بعض النباتات يمكن أن تضر الكبد، فمن الصعب غالبًا تحديد أي مكون معين في هذا الخليط هو المسؤول عن المشكلة أو كيف يسبب ذلك الضرر. وتكافح اختبارات السلامة التقليدية مع هذا التعقيد، مما يترك المنظمين والمستهلكين في حالة من الغموض بشأن المخاطر الحقيقية المختبئة داخل العلاج الطبيعي.

ولحل هذه المشكلة، يتجه الباحثون إلى طريقة تسمى "الرسم بالخلايا" (Cell Painting). تخيل مجهرًا لا يلتقط صورة للخلية فحسب، بل يلونها بخمسة ألوان فلورية مختلفة، كل منها يسلط الضوء على جزء محدد من آلات الخلية، مثل النواة، أو مصانع الطاقة، أو الجلد الخارجي. عندما يزعج كيميائي ما الخلية، تتغير أشكال هذه الأجز الملونة أو ترتيبها بطرق فريدة. ومن خلال التقاط هذه التغييرات، يمكن للعلماء رؤية ليس فقط ما إذا كانت الخلية تموت، بل كيف تتفاعل. يتم بعد ذلك تغذية هذه البيانات المرئية في نماذج حاسوبية مدربة على آلاف المواد الكيميائية المعروفة. تعمل هذه النماذج مثل مكتبة من الاستجابات البيولوجية، مما يسمح للباحثين بمقارنة مستخلص نباتي جديد مقابل قاعدة بيانات واسعة من السلوكيات المعروفة لتخمين ما يحدث داخل الخلية.

في دراسة حديثة، طبق فريق من العلماء هذا النهج على ثلاثة عشر مستخلصًا نباتيًا مختلفًا وخمسة وثمانين من مكوناتها الكيميائية الفردية. وقد اختبروا هذه المواد على خلايا كبد بشرية أولية، وهي النموذج الأكثر صلة لفهم سلامة الكبد. عرض الباحثون الخلايا لثمانية تركيزات مختلفة من كل مستخلص نباتي ومكوناته، ثم استخدموا تقنية "الرسم بالخلايا" لالتقاط الاستجابة الخلوية. كما أجروا فحوصات صحية قياسية لمعرفة ما إذا كانت الخلايا تسرب أو تفقد الطاقة، لتوفير خط أساس للمقارنة. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا التصوير عالي التقنية يمكنه رصد النشاط الذي فاتته الاختبارات التقليدية، والأهم من ذلك، تحديد أي المكونات المحددة داخل الخلطات النباتية المعقدة هي التي تقود تلك التأثيرات.

أظهرت النتائج أن طريقة "الرسم بالخلايا" كانت أكثر حساسية بكثير من الفحصات الصحية القياسية. فقد رصدت نشاطًا بيولوجيًا في أحد عشر من أصل ثلاثة عشر مستخلصًا نباتيًا وستة وأربعين من أصل خمسة وثمانين مكونًا فرديًا، في حين لم تجد الاختبارات التقليدية نشاطًا إلا في تسعة مستخلصات وأربعين مكونًا. والأهم من ذلك، أن طريقة التصوير رصدت هذه التأثيرات غالبًا عند تركيزات أقل بكثير. فعلى سبيل المثال، في تسع حالات من أصل ثلاث عشرة حالة تسبب فيها المستخلص النباتي في رد فعل، تسبب مكون واحد على الأقل داخل ذلك المستخلص في رد فعل أقوى عند جرعة أقل. وهذا يشير إلى أن التأثير الإجمالي لخليط نباتي غالبًا ما يكون مدفوعًا بمجموعة صغيرة من المكونات القوية، بدلاً من كونها مجموع أجزائها التي تعمل معًا بالتساوي.

كما كشفت الدراسة أن أكثر المستخلصات النباتية قوة هما "أريستولوتشيا" (Aristolochia) و"جولدسيل" (Goldenseal). حيث أظهر كلاهما علامات قوية على الإجهاد الخلوي بجرعات منخفضة جدًا. وقد استطاع الباحثون تتبع ذلك إلى مكونات محددة، مثل حمض الأريستولوكيك الأول (aristolochic acid I) في نبات "أريستولوتشيا" والبربيرين (berberine) في "جولدسيل"، والتي كانت هي نفسها نشطة للغاية. ومع ذلك، فإن العلاقة بين النبات الكامل وأجزائه لم تكن دائمًا مباشرة؛ ففي بعض الحالات، مثل "أشواغاندا" (Ashwagandha) و"كومفري" (Comfrey)، كانت المكونات الفردية نشطة للغاية في المختبر، ومع ذلك لم يظهر المستخلص النباتي الكامل نفس رد الفعل القوي في المستويات التي تم اختبارها. وعلى العكس من ذلك، أظهر مستخلص "الجينسنغ الآسيوي" رد فعل قويًا رغم أن مكوناته الفردية كانت أقل قوة بمفردها. وهذا يسلط الضوء على أن الطريقة التي تتفاعل بها المكونات داخل الخليط يمكن أن تغير النتيجة النهائية، مما يجعل من الصعب التنبؤ بالسلامة بمجرد النظر إلى المواد الكثافة المعزولة.

وبعيدًا عن مجرد اكتشاف النشاط، استخدم الباحثون البيانات المرئية لتوليد فرضيات حول كيفية تأثير هذه النباتات على الكبد. ومن خلال مقارنة "لوحات الخلايا" للنباتات مع مكتبة مرجعية ضخمة تضم أكثر من ألف مادة كيميائية ذات تأثيرات معروفة، اقترحت النماذج الحاسوبية آليات عمل محددة. فعلى سبيل المثال، توقعت النماذج أن "جولدسيل" و"أريستولوتشيا" قد يتداخلان مع الأنظمة الهرمونية في الجسم أو يسببان تلفًا في الحمض النووي (DNA)، وهو ما يتماشى مع ما هو معروف عن سميتهما. كما أظهر التصوير أن أجزاء مختلفة من الخلية استجابت بشكل مختلف؛ فعلى سبيل المثال، تسبب حمض الأريستولوكيك الأول في تغيير متميز في قناة الحمض النووي، وهو ما يتوافق مع قدرته المعروفة على إحداث ضرر جيني.

تخلص الدراسة إلى أن هذا الجمع بين التصوير عالي التفاصيل والتعلم الآلي يقدم طريقة جديدة وقوية لفحص الخلطات النباتية المعقدة. فهي تسمح للعلماء بالانتقال من مجرد السؤال "هل هذا سام؟" إلى السؤال "ماذا يفعل هذا، وأي جزء من النبات يفعل ذلك؟". وبينما تستند النتائج إلى خلايا كبد مستزرعة في المختبر ولا تثبت بشكل مباشر أن هذه النباتات ستسبب ضررًا للكبد لدى البشر، إلا أن الطريقة نجحت في تحديد المكونات الأكثر نشاطًا لمزيد من الدراسة. إنها توفر مسارًا واضحًا وقابلًا للتوسع لفهم المحركات الخفية للسمية في المنتجات النباتية، مما يساعد في الفصل بين المفيد والضار في العالم الواسع من العلاجات العشبية.