CountAnywhere: frugal cell counting and viability from smartphone hemocytometer photos

في كل مختبر تقريبًا حيث يزرع العلماء الخلايا الحية، تتم مهمة روتينية ولكنها حاسمة يوميًا: عدّها. فقبل أن يتمكن الباحثون من دراسة كيفية تأثير دواء ما على ورم، أو كيف يصيب فيروس ما الأنسجة، أو كيف تتحول الخلايا الجذعية إلى أعضاء جديدة، يجب عليهم معرفة عدد الخلايا التي لديهم بالضبط وكم منها لا يزال حيًا. لعقود من الزمن، تم القيام بذلك باستخدام شريحة زجاجية تسمى "هيموسيتومتر" (hemocytometer)، والتي تحمل قطرة صغيرة من السائل فوق شبكة محفورة على سطحها. يضع العالم هذه الشريحة تحت المجهر، وينظر عبر العدسة، ويقوم بحصر الخلايا يدويًا في مربعات الشبكة. إنها عملية بطيئة ومملة تعتمد كليًا على العين البشرية وصبر الشخص الذي يقوم بالعد. ولأن الناس قد يصابون بالتعب أو التشتت، فقد يقوم عالمان مختلفان بعدّ نفس القطرة من الخلايا ويحصلان على أرقام مختلفة. ولحل هذه المشكلة، تشتري العديد من المختبرات الآن آلات مؤتمتة باهظة الثمن تقوم بعد الخلاوة نيابة عنها، ولكن هذه الأجهزة تكلف آلاف الدولارات وتتطلب شرائح خاصة تستخدم لمرة واحدة لكل عينة، مما يؤدي إلى تكاليف كبيرة بمرور الوقت.

لقد طور فريق من الباحثين في مدرسة جامعة ميريلاند للطب طريقة جديدة للتعامل مع هذه المشكلة لا تتطلب آلة باهظة الثمن ولا شرائح خاصة. لقد أنشأوا أداة مجانية تعمل عبر المتصفح تسمى "CountAnywhere"، تحول الهاتف الذكي العادي إلى عداد للخلايا. يعمل النظام عن طريق التقاط صورة للشريحة الزجاجية من خلال المجهر واستخدام الشبكة المحفورة بالفعل على الشريحة لإجراء العمليات الحسابية. وبدلاً من الاعتماد على أداة مخصصة، يستخدم البرنامج خطوط الشبكة كمسطرة لقياس المساحة، ويتحقق مما إذا كانت الصورة واضحة بما يكفي لتكون مفيدة، ثم يتعرف تلقائيًا على كل خلية ويعدها في الصورة. كما يحدد ما إذا كانت كل خلية حية أم ميتة من خلال التحقق مما إذا كانت داكنة أو فاتحة مقارنة بمحيطها المباشر. يزيل هذا النهج الحاجة إلى معدات مكلفة ومواد استهلاكية، مما يجعل العد الدقيق للخلايا متاحًا لأي مختبر يمتلك مجهرًا وهاتفًا.

بنى الباحثون هذا النظام ليعمل مع الصور العادية التي يلتقطها العلماء بالفعل عندما ينظرون إلى الخلايا. فعندما يرفع المستخدم أربع صور لمربعات الشبكة من شريحة زجاجية قياسية، يقوم البرنامج أولاً بالعثور على خطوط الشبكة في الصورة. ويستخدم هذه الخطوط لتصحيح أي ميل أو تشوه في الصورة، مما يضمن أن المساحة التي يتم قياسها هي بالضبط مليمتر مربع واحد، بغض النظر عن مدى بعد الهاتف عن المجهر أو نوع الهاتف المستخدم. هذه الخطوة حاسمة لأنها تحول مجرد لقطة بسيطة إلى أداة قياس دقيقة. وبمجرد تصحيح الصورة، يقوم البرنامج بمسح المنطقة للعثور على الخلايا. في الاختبارات الأولية، أخطأ برنامج كمبيوتر عام مصمم للعثور على الأجسام في الصور في رصد العديد من الخلايا، خاصة عندما كانت متجمعة معًا أو تبدو مشابهة جدًا للخلفية. ولحل هذه المشكلة، قام الباحثون بتدريب البرنامج خصيصًا على صور لخمسة أنواع مختلفة من الخلايا، وعرضوا عليه آلاف الأمثلة لما تبدو عليه هذه الخلايا في الهيموسيتومتر. سمح هذا التدريب للبرنامج بالتعرف على الخلايا بدقة عالية، حيث وجد كل خلية تقريبًا حتى في الظروف المزدحمة.

بعد أن يحدد البرنامج الخلايا، فإنه يقرر أي منها حية وأيها ميتة. في هذه الطريقة، غالبًا ما يخلط العلماء الخلايا بصبغة زرقاء لا تدخل إلا في الخلايا ذات الأغشية التالفة، وهي الخلايا الميتة. تظل الخلايا الحية زاهية وواضحة، بينما تصبح الخلايا الميتة داكنة وزرقاء. يقيس البرنامج سطوع كل خلية ويقارنه بسطوع السائل الموجود بجانبها مباشرة. إذا كانت الخلية أغمق من محيطها، فيحددها البرنامج كخلية ميتة؛ وإذا كانت أفتح، فيحددها كخلية حية. هذه القاعدة بسيطة ولا تتطلب حسابات معقدة أو تعديلات لأنواع مختلفة من الخلايا. اختبر الباحثون هذه الطريقة على آلاف الخلايا من خمسة خطوط خلوية مختلفة ووجدوا أنها حددت الخلايا الحية والميتة بدقة تضاهي الخبراء البشريين.

ولمعرفة مدى فعالية هذه الطريقة الجديدة في العالم الحقيقي، قارن الباحثون بينها وبين كل من العد اليدوي من قبل البشر والعد بواسطة آلة مؤتمتة تجارية. قاموا بتحليل 128 قسمًا مختلفًا من عينات الخلايا. وأظهرت النتائج أن تطبيق الهاتف الذكي اتفق مع العدد الحقيقي بشكل وثيق أكثر من العدادين البشريين. فعندما كان الناس يعدون الخلايا يدويًا، كانوا يميلون إلى تفويت المزيد من الخلايا مع زيادة عدد الخلايا في العينة، مما يؤدي إلى أعداد أقل مما هو موجود بالفعل. ومع ذلك، لم يرتكب التطبيق هذا الخطأ؛ فقد عدّ نفس النسبة المئوية من الخلايا سواء كانت العينة نادرة أو مزدحمة للغاية. ومن حيث السرعة، كان التطبيق أيضًا أسرع بشكل ملحوظ؛ حيث استغرق العد الكامل لعينة حوالي 50 ثانية باستخدام التطبيق، بينما استغرق العد اليدوي في المتوسط 122 ثانية. أما الآلة التجارية فكانت الأسرع بحوالي 17 ثانية، لكنها تتطلب أداة مخصصة وشريحة تستخدم لمرة واحدة لكل عينة، بينما استخدم التطبيق فقط الشريحة الزجاجية القابلة لإعادة الاستخدام والهاتف.

تحقق الباحثون من صحة نتائجهم عبر جلسات متعددة باستخدام أنواع مختلفة من الخلايا وأنواع مختلفة من الهواتف الذكية، بما في ذلك أجهزة أندرويد وآبل. وقد أكدوا أن النظام يعمل بشكل موثوق طالما أن الصورة في بؤرة التركيز والشبكة مرئية. كما أشاروا إلى أنه يمكن تشغيل البرنامج على جهاز كمبيوتر محلي داخل المختبر، مما يعني أنه لا يحتاج حتى إلى اتصال بالإنترنت للعمل، وهو أمر مهم للمختبرات في المناطق النائية أو تلك التي لديها قواعد صارمة لأمن البيانات. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الطريقة تساهم في دمقرطة عد الخلايا من خلال إزالة الحواجز المالية والتقنية التي حالت دون وصول العد المؤتمت الدقيق إلى المختبرات الأصغر حجمًا. فمن خلال استخدام الشبكة الموجودة بالفعل على الشريحة الزجاجية، يحول النظام قطعة قياسية من معدات المختبر إلى أداة قوية ودقيقة وبأسعار معقولة لقياس الحياة على المستوى الخلوي.