طرق جديدة لقتل البكتريا في العمليات الجراحية

مصر : إيهاب محمد زايد

يكشف التعلم الآلي عن طرق جديدة لقتل البكتيريا باستخدام أدوية غير المضادات الحيوية

لقد تغير تاريخ البشرية إلى الأبد مع اكتشاف المضادات الحيوية في عام 1928. وكانت الأمراض المعدية مثل الالتهاب الرئوي والسل والإنتان منتشرة على نطاق واسع وقاتلة حتى جعلها البنسلين قابلة للعلاج.

أصبحت العمليات الجراحية التي كانت تنطوي في السابق على مخاطر عالية للإصابة بالعدوى أكثر أمانًا وروتينية. كانت المضادات الحيوية بمثابة لحظة انتصار في العلوم، حيث أحدثت تحولًا في الممارسة الطبية وأنقذت أرواحًا لا حصر لها.

لكن المضادات الحيوية لها تحذير متأصل: عند الإفراط في استخدامها، يمكن للبكتيريا أن تطور مقاومة لهذه الأدوية. وقدرت منظمة الصحة العالمية أن هذه البكتيريا الخارقة تسببت في وفاة 1.27 مليون شخص حول العالم في عام 2019، ومن المرجح أن تشكل تهديدًا متزايدًا للصحة العامة العالمية في السنوات المقبلة.

وتساعد الاكتشافات الجديدة العلماء على مواجهة هذا التحدي بطرق مبتكرة. لقد وجدت الدراسات أن ما يقرب من ربع الأدوية التي لا توصف عادة كمضادات حيوية، مثل الأدوية المستخدمة لعلاج السرطان والسكري والاكتئاب، يمكن أن تقتل البكتيريا بالجرعات الموصوفة عادة للأشخاص.

إن فهم الآليات الكامنة وراء كيفية سمية بعض الأدوية للبكتيريا قد يكون له آثار بعيدة المدى على الطب. إذا كانت الأدوية غير المضادة للمضادات الحيوية تستهدف البكتيريا بطرق مختلفة عن المضادات الحيوية القياسية، فيمكن أن تكون بمثابة خيوط في تطوير مضادات حيوية جديدة.

ولكن إذا كانت المضادات الحيوية تقتل البكتيريا بطرق مشابهة للمضادات الحيوية المعروفة، فإن استخدامها لفترة طويلة، كما هو الحال في علاج الأمراض المزمنة، قد يؤدي عن غير قصد إلى تعزيز مقاومة المضادات الحيوية.

في بحثنا المنشور مؤخرًا، قمت أنا وزملائي بتطوير طريقة جديدة للتعلم الآلي لا تحدد فقط كيف تقتل المضادات الحيوية البكتيريا، بل يمكنها أيضًا المساعدة في العثور على أهداف بكتيرية جديدة للمضادات الحيوية.

طرق جديدة لقتل البكتيريا
يعالج العديد من العلماء والأطباء في جميع أنحاء العالم مشكلة مقاومة الأدوية، بما في ذلك أنا وزملائي في مختبر ميتشل في كلية الطب بجامعة ماساتشوستس تشان. نحن نستخدم علم الوراثة للبكتيريا لدراسة الطفرات التي تجعل البكتيريا أكثر مقاومة أو أكثر حساسية للأدوية.

عندما علمت أنا وفريقي عن النشاط المضاد للبكتيريا واسع النطاق للمضادات الحيوية، انشغلنا بالتحدي الذي فرضه هذا النشاط: اكتشاف كيف تقتل هذه الأدوية البكتيريا.

للإجابة على هذا السؤال، استخدمت تقنية الفحص الجيني التي طورها زملائي مؤخرًا لدراسة كيفية استهداف الأدوية المضادة للسرطان للبكتيريا. تحدد هذه الطريقة الجينات المحددة والعمليات الخلوية التي تتغير عندما تتحور البكتيريا. إن مراقبة كيفية تأثير هذه التغييرات على بقاء البكتيريا تسمح للباحثين باستنتاج الآليات التي تستخدمها هذه الأدوية لقتل البكتيريا.

قمت بجمع وتحليل ما يقرب من 2 مليون حالة تسمم بين 200 دواء وآلاف البكتيريا الطافرة. باستخدام خوارزمية التعلم الآلي التي طورتها لاستنتاج أوجه التشابه بين الأدوية المختلفة، قمت بتجميع الأدوية معًا في شبكة بناءً على كيفية تأثيرها على البكتيريا الطافرة.

أظهرت خرائطي بوضوح أن المضادات الحيوية المعروفة كانت مجمعة معًا بشكل وثيق حسب فئاتها المعروفة من آليات القتل. على سبيل المثال، تم تجميع كل المضادات الحيوية التي تستهدف جدار الخلية ــ الطبقة الواقية السميكة المحيطة بالخلايا البكتيرية ــ معًا وفصلها جيدًا عن المضادات الحيوية التي تتداخل مع تكاثر الحمض النووي للبكتيريا.

ومن المثير للاهتمام أنه عندما أضفت أدوية غير المضادات الحيوية إلى تحليلي، شكلت محاور منفصلة عن المضادات الحيوية. يشير هذا إلى أن الأدوية غير المضادة للمضادات الحيوية والمضادات الحيوية لها طرق مختلفة لقتل الخلايا البكتيرية. في حين أن هذه المجموعات لا تكشف عن كيفية قتل كل دواء للمضادات الحيوية على وجه التحديد، إلا أنها تظهر أن تلك المجموعات معًا من المحتمل أن تعمل بطرق مماثلة.

الجزء الأخير من اللغز – ما إذا كان بإمكاننا العثور على أهداف دوائية جديدة في البكتيريا لقتلها – جاء من البحث الذي أجرته زميلتي كارمن لي.

لقد قامت بتنمية مئات الأجيال من البكتيريا التي تعرضت لأدوية مختلفة غير المضادات الحيوية والتي توصف عادة لعلاج القلق والعدوى الطفيلية والسرطان.

وقد سمح لنا تسلسل جينومات البكتيريا التي تطورت وتكيفت مع وجود هذه الأدوية بتحديد البروتين البكتيري المحدد الذي يستهدفه تريكلابندازول – وهو دواء يستخدم لعلاج الالتهابات الطفيلية – لقتل البكتيريا. والأهم من ذلك أن المضادات الحيوية الحالية لا تستهدف هذا البروتين عادةً.

بالإضافة إلى ذلك، وجدنا أن اثنين من المضادات الحيوية الأخرى التي تستخدم آلية مماثلة مثل تريكلابندازول تستهدف أيضًا نفس البروتين. وقد أظهر هذا قوة خرائط تشابه الأدوية الخاصة بي في تحديد الأدوية ذات آليات القتل المماثلة، حتى عندما كانت هذه الآلية غير معروفة بعد.

المضاد الحيوي المساعد المكتشف تفتح النتائج التي توصلنا إليها فرصًا متعددة للباحثين لدراسة كيفية عمل الأدوية غير المضادة للمضادات الحيوية بشكل مختلف عن المضادات الحيوية القياسية. إن طريقتنا في رسم خرائط الأدوية واختبارها لديها أيضًا القدرة على معالجة عنق الزجاجة الحرج في تطوير المضادات الحيوية.

إن البحث عن مضادات حيوية جديدة يتضمن عادةً تخصيص موارد كبيرة لفحص آلاف المواد الكيميائية التي تقتل البكتيريا ومعرفة كيفية عملها. وُجد أن معظم هذه المواد الكيميائية تعمل بشكل مشابه للمضادات الحيوية الموجودة ويتم التخلص منها.

يوضح عملنا أن الجمع بين الفحص الجيني والتعلم الآلي يمكن أن يساعد في الكشف عن الإبرة الكيميائية في كومة القش التي يمكن أن تقتل البكتيريا بطرق لم يستخدمها الباحثون من قبل.

هناك طرق مختلفة لقتل البكتيريا لم نستغلها بعد، ولا تزال هناك طرق يمكننا اتباعها لمكافحة خطر الالتهابات البكتيرية ومقاومة المضادات الحيوية.
المصدر
ماريانا نوتو غيلين، دكتوراه مرشح في بيولوجيا الأنظمة، كلية الطب بجامعة UMass Chan