علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Targeting tumors with nano worms
(Aaron Dubrow – بقلم: آرون دوبرو)
ملخص المقالة:
تنتشر الأدوية واللقاحات عبر نظام الأوعية الدموية وتتفاعل وفقًا لطبيعتها الكيميائية والهيكلية، ويكون الغرض منها في بعض الحالات هو الانتشار، وفي حالات أخرى – مثل علاجات السرطان – يكون الهدف المقصود موضعيًا بدرجة كبيرة. وتعتمد فعالية الدواء على مدى نجاحه في الوصول إلى هدفه. ويدرس البروفيسور ينغ لي (أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة كونيتيكت) الأدوية النانوية (تتضمن جسيمات نانوية متوافقة حيويًا وروبوتات نانوية) وكيف يمكن تصميمها للعمل بكفاءة أكبر لأغراض التشخيص والتسليم والاستشعار أو التحريك في كائن حي. ويُسخر عمل البروفيسور لي قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة لمحاكاة ديناميكيات الأدوية النانوية في مجرى الدم، وتصميم أشكال جديدة من الجسيمات النانوية، وإيجاد طرق للتحكم فيها. ويتركز بحثه على كيفية بناء منصات حوسبة عالية الدقة وعالية الأداء لفهم السلوكيات المعقدة لهذه المواد والأنظمة البيولوجية وصولاً إلى المقياس النانوي. ويقول إن النهج الحسابي يزداد قوة وأكثر تنبؤية، وينبغي الاستفادة من المحاكاة الحاسوبية قبل اجراء تجارب باهظة الثمن لتبرير المشكلة وتقديم إرشادات أفضل.
( المقالة )
تنتشر الأدوية واللقاحات عبر نظام الأوعية الدموية وتتفاعل وفقًا لطبيعتها الكيميائية والهيكلية. وفي بعض الحالات، يكون الغرض منها هو الانتشار. وفي حالات أخرى، مثل علاجات السرطان، يكون الهدف المقصود موضعيًا بدرجة كبيرة. إن فعالية الدواء – ومقدار الحاجة إليه والآثار الجانبية التي يسببها – تعتمد على مدى نجاحه في الوصول إلى هدفه.
وقال ينغ لي، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية في جامعة كونيتيكت: “تتضمن الكثير من الأدوية الحقن في الوريد لحاملات الأدوية. ونريدهن (حاملات الأدوية) أن يكن قادرات على الانتشار والعثور على المكان المناسب في الوقت المناسب وتحرير الكمية المناسبة من الأدوية لحمايتنا بأمان. وإذا ارتكبت أخطاء، فقد تكون هناك آثار جانبية رهيبة”.
ويدرس البروفيسور لي الأدوية النانوية وكيف يمكن تصميمها للعمل بكفاءة أكبر. وتتضمن الأدوية النانوية استخدام المواد النانوية، مثل الجسيمات النانوية المتوافقة حيويًا والروبوتات النانوية، لأغراض التشخيص والتسليم والاستشعار أو التحريك في كائن حي. ويُسخر عمل البروفيسور لي قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة لمحاكاة ديناميكيات الأدوية النانوية في مجرى الدم، وتصميم أشكال جديدة من الجسيمات النانوية، وإيجاد طرق للتحكم فيها.
وعلى مدار العقد الماضي، وبدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم، قام البروفيسور لي وفريقه بالتحقيق في العديد من الجوانب الرئيسية للأدوية النانوية، وطرق رائدة لنمذجة تدفقها وكيفية تفاعلها مع الهياكل داخل الجسم. وقال: “يتركز بحثي على كيفية بناء منصات حوسبة عالية الدقة وعالية الأداء لفهم السلوكيات المعقدة لهذه المواد والأنظمة البيولوجية وصولاً إلى المقياس النانوي”.
وأضاف البروفيسور لي: “أنا شخص حاسوبي بنسبة 100٪ ، ولا توجد أيدٍ قذرة”. وأضاف: “نظرًا لحجم هذه الجسيمات، من الصعب جدًا دراسة هذه المشكلة باستخدام التجارب”.
ووصف البروفيسور لي – كاتبًا في نشرة “سوفت ماتر Soft Matter” في يناير 2021 – نتائج دراسة بحثت في كيفية تحرك الجسيمات النانوية ذات الأحجام والأشكال المختلفة – بما في ذلك الديدان النانوية – في الأوعية الدموية ذات الأشكال الهندسية المختلفة، محاكية الأوعية الدموية الدقيقة الضيقة. إن الديدان النانوية عبارة عن تغليفات طويلة ورفيعة ومهندسة لمحتويات الدواء.
وأوضح: “وجدنا أن نقل هذه الديدان النانوية تهيمن عليه خلايا الدم الحمراء” التي تشكل 40٪ إلى 50٪ من التدفق. وأضاف: “الأمر يشبه القيادة على الطريق السريع – أعمال البناء تبطئ حركة المرور. ويتم نقل الأدوية بواسطة خلايا الدم الحمراء الفردية وسحبها إلى مناطق ضيقة، وتتعثر”.
وقد قرر أن الديدان النانوية يمكنها السفر بشكل أكثر كفاءة عبر مجرى الدم، مروراً بالعوائق حيث تتعثر الأشكال الكروية أو المسطحة. “تتحرك الدودة النانوية مثل ثعبان، ويمكن أن تسبح بين خلايا الدم الحمراء مما يجعل من الأسهل الهروب من المواقف الصعبة” ، قال البروفيسور لي.
إن السرعة هي الجوهر – يجب أن تصل الأدوية إلى وجهتها قبل أن يتم اكتشافها وإبطال مفعولها بواسطة جهاز المناعة في الجسم، الذي يبحث دائمًا عن الجسيمات الغريبة.
وقد تمت الموافقة على “دوكسيل Doxil” كأول علاج للسرطان معتمد على الجسيمات النانوية من قبل إدارة الأغذية والأدوية الأمريكية – وهو تركيبة لعامل العلاج الكيميائي “دوكسوروبيسين Doxorubicin”. وهناك أدوية كثيرة أخرى قيد التطوير حاليا. ومع ذلك، وجدت دراسة أجريت عام 2016 ونشرت في “مواد مراجعات الطبيعة Nature Reviews Materials“ أن 0.7٪ فقط من جرعة الجسيمات النانوية المعطاة يتم توصيلها إلى الورم الصلب.
وقال البروفيسور لي: “نحن نعلم أن جزيئات الأدوية المضادة للسرطان شديدة السمية. وإذا لم يذهبوا إلى المكان الصحيح، فإنهم يؤلمون كثيرًا. ويمكننا تقليل الجرعة إذا قمنا بتوجيه عملية التسليم بنشاط”.
إن الأشكال المصممة خصيصًا هي إحدى طرق تحسين توصيل أدوية السرطان (حاليًا، 90٪ من الجسيمات النانوية التي يتم تناولها هي كروية). وهناك طريقة أخرى تتمثل في إقناع الأدوية بتحقيق هدفها.
وقام فريق البروفيسور لي بنمذجة حسابية للجسيمات النانوية التي يمكن معالجتها بمجال مغناطيسي. وفي بحث نُشر عام 2018 في نشرة “وقائع الجمعية الملكية Proceedings of the Royal Society” ، أظهروا أنه حتى القوة المغناطيسية الصغيرة يمكن أن تدفع الجسيمات النانوية خارج تدفق الدم، مما يؤدي إلى وصول عدد أكبر بكثير من الجسيمات إلى الوجهة الصحيحة.
ويتم تشغيل عمل البروفيسور لي بواسطة الكمبيوتر العملاق “فرونتيرا Frontera” في مركز تكساس للحوسبة المتقدمة (Texas Advanced Computing Center (TACC))، وهو تاسع أسرع كمبيوتر في العالم. وكان البروفيسور لي مستخدمًا مبكرًا للنظام عندما تم إطلاقه في عام 2019 ، واستخدم “فرونتيرا” بشكل مستمر منذ ذلك الحين لإجراء مجموعة متنوعة من عمليات المحاكاة.
وقال البروفيسور لي: “نحن نبني نماذج حسابية عالية الدقة على ‘فرونتيرا’ لفهم سلوك نقل الجسيمات النانوية والديدان النانوية لمعرفة كيفية دورانها في تدفق الدم”. ويبلغ طول أكبر نماذجه أكثر من 1000 ميكرومتر وتشمل الآلاف من خلايا الدم الحمراء، بإجمالي مليارات الطرق المستقلة التي يمكن للنظام أن يحركها.
وقال مانيش باراشار، مدير مكتب مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية للبنية التحتية الالكترونية المتقدمة: “إن موارد البنية التحتية الإلكترونية المتقدمة، مثل ‘فرونتيرا’، تمكن الباحثين من تجربة أطر عمل جديدة وبناء نماذج مبتكرة تساعدنا، في هذا المثال، على فهم نظام الدورة الدموية البشرية بطريقة جديدة” ، البنية التحتية السيبرانية المتقدمة. “تدعم مؤسسة العلوم الوطنية الامريكية ‘فرونتيرا’ كجزء من نظام بيئي أوسع لاستثمارات البنية التحتية الإلكترونية، بما في ذلك تحليلات البرمجيات والبيانات، التي تدفع بحدود العلم لتقديم رؤى مع تطبيق فوري في حياتنا”.
ويسمح ‘فرونتيرا’ للبروفيسور لي ليس فقط بإجراء تجارب حسابية، ولكن أيضًا لتطوير إطار عمل حسابي جديد يجمع بين ديناميكيات السوائل وديناميكيات الجزيئات. وقد وصف – كاتبًا – في نشرة “اتصالات فيزياء الكمبيوتر Computer Physics Communications” في عام 2020 ، برنامج “أوبن اف اس آي OpenFSI”: حزمة محاكاة بُنية السوائل عالية الكفاءة والمحمولة، تعتمد على طريقة الحدود المغمورة. وتعمل المنصة الحاسوبية كأداة لمجتمع تصميم الأدوية الأوسع ويمكن ترجمتها للعديد من التطبيقات الهندسية الأخرى، مثل التصنيع الإضافي والمعالجة الكيميائية والروبوتات تحت الماء.
“إن النموذج الحسابي الحالي يغطي العديد من العمليات المهمة، لكن العملية برمتها معقدة للغاية. إذا كنت تفكر في شبكة الأوعية الدموية الخاصة بالمريض، فهذا يجعل نموذجنا الحسابي صعب الحل”، كما قال البروفيسور لي.
إنه يستفيد من الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي ليكون بمثابة وسيلة عالية السرعة للجيل السريع من التصاميم والأساليب الجديدة للجسيمات النانوية. ومثل كل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، يتطلب هذا النهج كميات هائلة من البيانات. وفي حالة البروفيسور لي، تأتي البيانات من عمليات محاكاة على ‘فرونتيرا’.
وأوضح البروفيسور لي: “نحن نبني حاليًا قاعدة بيانات التدريب لجانب التعلم الآلي من عملنا. وقد أجرينا الكثير من عمليات المحاكاة بسيناريوهات مختلفة للحصول على بيانات تدريب واسعة”. وتابع: “بعد ذلك ، يمكننا تدريب الشبكة العصبية (Neural Network) مسبقًا باستخدام البيانات الافتراضية التي نأخذها من مجموعة المحاكاة حتى يتمكنوا من التنبؤ بالتأثيرات بسرعة وكفاءة”.
وتستخدم عمليات المحاكاة النموذجية للبروفيسور لي من 500 إلى 600 معالج، على الرغم من أن بعض جوانب البحث تتطلب ما يصل إلى 9000 معالج حوسبة بالتوازي. ويقول: “ترتبط إنتاجية بحثي بسرعة النظام الذي أستخدمه، وقد كان ‘فرونتيرا’ رائعًا”.
وقال البروفيسور لي إنه عندما يتصور الناس البحث الطبي، فإنهم يفكرون عادة في التجارب المعملية أو تجارب الأدوية، لكن هناك قيودًا على هذا النوع من العمل، سواء كانت اقتصادية أو فيزيائية. وتابع: “النهج الحسابي يزداد قوة وأكثر تنبؤية. يجب أن نستفيد من المحاكاة الحاسوبية قبل أن نجري تجارب باهظة الثمن لتبرير المشكلة وتقديم إرشادات أفضل”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-04-tumors-nanoworms.html
لمزيد من المعلومات: هويلين يي وآخرون، Red blood cell hitchhiking enhances the accumulation of nano- and micro-particles in the constriction of a stenosed microvessel, Soft Matter (2020). DOI: 10.1039/d0sm01637c
