علماء يطورون "مختبر خلية افتراضي" لاختبار الأبحاث المستقبلية باستخدام الخلايا الحية

أعلن باحثون عن تقدم في إنشاء "مختبر خلية افتراضي" يمكن استخدامه كمختبر لاختبار وتحليل العمليات الحيوية والتفاعلات الجينية والديناميات الخلوية المستقبلية، دون الحاجة إلى تجارب مكلفة مع خلايا حية. قاد هذا المشروع فريق من العلماء من جامعة إنديانا، كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز، كلية الطب بجامعة ماريلاند، ومستشفى أوريغون للصحة والطب. تم نشر الدراسة التي تفصّل هذه الأدوات في مجلة "Cell" في 25 يوليو. البرنامج الجديد، المعروف باسم "PhysiCell"، يعتمد على تحليل رياضي لأنماط سلوك الخلايا البشرية والحيوانية، ويوفر نموذجًا حاسوبيًا يحاكي سلوك هذه الخلايا في أي جزء من الجسم. يُعتبر "PhysiCell" نسخة مطورة من برنامج سابق تم تطويره من قبل البروفيسور بول ماكلين من جامعة إنديانا، حيث يعتمد على "الوكلاء" (agents)، أي نماذج رياضية تُحاكي سلوك الخلايا بناءً على قواعد تعكس معلومات الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). يُمكّن هذا البرنامج العلماء من مراقبة عمليات مثل تشكيل الأورام وتفاعلها مع العلاجات المناعية، أو كيف تتكون طبقات الدماغ وتُشكّل الدوائر العصبية. وبحسب البروفيسورة جينيفيف ستاين-أوبين، من كلية الطب بجامعة جونز هوبكنز، فإن هذا البرنامج يُستخدم لبناء نماذج تُظهر تفاعلات الخلايا والأنسجة عبر الزمن، وهو أمر حيوي في دراسة الأمراض البشرية. تم تطوير النموذج بشكل كبير من قبل فريق ستاين-أوبين، بمساعدة الباحث دانيال بيرغمان من كلية الطب بجامعة ماريلاند، حيث قاموا بتوسيع قدرات البرنامج لتحليل العمليات من مستوى الخلية إلى مستوى الدوائر العصبية. كما شارك ديفيد زو، طالب جامعي في علم الأعصاب بجامعة جونز هوبكنز، في إعداد أنماط سلوك خلايا الدماغ باستخدام بيانات من "مكتبة دماغ ألين"، مما يُعتبر أول نموذج من نوعه. البرنامج الجديد يُستخدم أيضًا لمحاكاة "البيانات المكانية للنسخ" (spatial transcriptomics)، وهو مجال طويل الأمد يهدف إلى رؤية توزيع الخلايا ووظائفها في نماذج ثلاثية الأبعاد للأنسجة والأورام. كما يمكن للبرنامج تخصيص النماذج لتتوافق مع البيانات الحالية من دراسات النسخ الجيني. في تجربة تحقق من فعالية البرنامج، قام الباحث جينيت جونسون بمحاكاة كيفية دخول خلايا المناعة (مثل ماكروفيجات) إلى الأورام الثديية، ووجد أن الزيادة في مسار جيني معين (EGFR) أدت إلى نمو الأورام بسبب تحسين قدرة الخلايا على الحركة. وقد تأكدت هذه النتائج من خلال تجارب مع خلايا سرطانية حية في المختبر. يقول ماكلين إن البرامج الحاسوبية التقليدية تتطلب معرفة متقدمة بالرياضيات والبرمجة، بينما يُسهّل هذا البرنامج الجديد إنشاء نماذج باستخدام "لغة بسيطة" تشبه جدول البيانات (Excel)، مما يتيح للعلماء الذين يمتلكون خبرة بيولوجية كبيرة، لكنهم ليسوا مهتمين بالبرمجة، استخدام الأداة بسهولة. الباحثون يخططون لتطوير البرنامج بشكل أكبر، باستخدام الذكاء الاصطناعي لكتابة نماذج المحاكاة، مما يفتح آفاقًا جديدة لربط النماذج مع بيانات جديدة، وتحسين نماذج "التوأم الرقمي" للخلايا لدعم الأبحاث الطبية المستقبلية. يهدف المشروع إلى تقليل الحاجة إلى التجارب المخبرية المكلفة، وتركيز الجهود على الأفكار والعلاجات الأكثر واقعية.