باستخدام الذكاء الاصطناعي.. الكشف عن السموم المرتبطة بالتدخين في عينات المشيمة

أثبت علماء جامعة رايس وزملاؤهم في كلية بايلور للطب طريقة جديدة للكشف عن وجود مواد كيميائية خطيرة من دخان التبغ في المشيمة البشرية بسرعة ودقة غير مسبوقة.

استخدم فريق البحث مزيجًا من تقنيات التصوير الضوئي وخوارزميات التعلم الآلي لتحديد ووضع علامات على الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ومشتقاتها، وهي مركبات سامة تتولد من خلال الاحتراق غير الكامل للمواد العضوية.

يمكن أن يؤدي التعرض لهذه المواد الكيميائية أثناء الحمل إلى نتائج صحية سلبية مثل الولادة المبكرة وانخفاض الوزن عند الولادة ومشاكل النمو، وفق ما أكده موقع ميديكال إكسبريس.

قالت أورا نيومان، عالمة أبحاث في جامعة رايس، والمؤلفة الأولى لدراسة نُشرت في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم: "إن عملنا يعالج تحديًا بالغ الأهمية في صحة الأم والجنين من خلال تحسين قدرتنا على اكتشاف المركبات الضارة مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات والمركبات الكربونية متعددة الحلقات في عينات المشيمة".

وأضافت: "تكشف النتائج أن التحليل الطيفي الاهتزازي المعزز بالتعلم الآلي يمكنه التمييز بدقة بين عينات المشيمة المأخوذة من المدخنين وغير المدخنين".

تحليل المشيمات

تم استخدام الطريقة الجديدة لتحليل المشيمات لدى النساء اللاتي أبلغن عن التدخين أثناء الحمل وأبلغن عن عدم التدخين، مما أكد وجود الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ومركبات السيتريك الدهني متعدد الحلقات فقط في العينات التي تم جمعها من المدخنين.

وتقدم النتائج أداة بالغة الأهمية للمراقبة البيئية والصحية، مما يتيح تحديد ووضع العلامات على السموم الضارة المرتبطة بالتدخين، فضلًا عن مصادر أخرى مثل حرائق الغابات والحرائق الهائلة ومواقع السوبر فاند وغيرها من البيئات عالية التلوث والمنتجات الملوثة.

قالت ميليسا سوتر، الأستاذة المساعدة في طب التوليد وأمراض النساء: "إن قياس مستويات المواد الكيميائية البيئية في المشيمة يمكن أن يمنحنا نظرة ثاقبة على التعرضات التي تعرضت لها كل من الأم والطفل أثناء الحمل، ويمكن أن تساعدنا هذه المعلومات في فهم كيف يمكن لهذه المواد الكيميائية أن تؤثر على الحمل ونمو الطفل وتساعد العلماء في إعلام تدابير الصحة العامة".

اعتمد البحث على التحليل الطيفي المعزز بالسطح، وهي طريقة تستخدم مواد نانوية مصممة خصيصًا لتضخيم الطريقة التي تتفاعل بها أطوال موجية محددة للضوء مع المركبات المستهدفة.

في هذه الحالة، استفاد الباحثون من الخصائص البصرية الخاصة لقشور الذهب النانوية المصممة في مجموعة أبحاث الفوتونيات النانوية والبلازمونيات التي تقودها نعومي هالاس، أستاذة جامعية وأستاذة الهندسة الكهربائية والحاسوبية ستانلي سي مور في جامعة رايس.

وقال هالاس، المؤلف المشارك في الدراسة: "لقد قمنا بدمج تقنيتين متكاملتين - التحليل الطيفي رامان المعزز بالسطح وامتصاص الأشعة تحت الحمراء المعزز بالسطح - لتوليد توقيعات اهتزازية مفصلة للغاية للجزيئات في عينات المشيمة".

وقد قدم هالاس، بالتعاون مع بيتر نوردلاندر، رئيس قسم الفيزياء والفلك وأستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية وعلوم المواد والهندسة النانوية في جامعة رايس، مساهمات كبيرة في مجال علم البلازمونيات، وهو دراسة التذبذبات الجماعية الناجمة عن الضوء للإلكترونات الحرة على سطح الجسيمات النانوية المعدنية.

يعتمد التحليل الطيفي المعزز بالسطح على البلازمونات لتمكين الدراسة المتعمقة للهياكل الجزيئية بدقة عالية للغاية عند التركيزات الضئيلة الموجودة في العينات البيولوجية والبيئية.

وقد كشف دمج خوارزميات التعلم الآلي - استخراج الذروة المميزة (CaPE) وتشابه الذروة المميزة (CaPSim) - عن أنماط دقيقة في البيانات والتي لم تكن لتكتشف لولا ذلك.

حددت CaPE التوقيعات الكيميائية الرئيسية من مجموعات البيانات المعقدة، في حين قارنت CaPSim هذه الإشارات بالتوقيعات الكيميائية المعروفة للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات.

وتُظهر هذه النتيجة التأثير التحويلي للأدوات الحاسوبية للتطبيقات الطبية والصحية العامة.

وقال أنكيت باتيل، الأستاذ المساعد للهندسة الكهربائية والحاسوبية في جامعة رايس والأستاذ المساعد لعلم الأعصاب في كلية بي سي إم، إن التعلم الآلي يعمل على "ضبط الضوضاء في البيانات".

وقد أثبتت التجارب اللاحقة صحة نتائج البحث، مؤكدة أن الطريقة الجديدة توفر بديلًا وظيفيًا للتقنيات التقليدية الأكثر استهلاكًا للعمالة والوقت.

وبالإضافة إلى التعرض المرتبط بالتدخين، فإن البحث قد يسمح بمراقبة التعرض للسموم البيئية بعد الكوارث الطبيعية أو الحوادث الصناعية، مما يزود مقدمي الرعاية الصحية بطريقة أسرع وأكثر موثوقية لتقييم المخاطر وتحسين نتائج صحة الجنين والأم.

قال بهاجافاتولا مورثي، أستاذ طب الأطفال وحديثي الولادة في مركز بي سي إم ورئيس قسم طب الأطفال: "تقدم هذه الطريقة الجديدة مستوى غير مسبوق من التفاصيل".

وأضاف: "يضع هذا البحث الأساس لتوسيع تكنولوجيا الكشف عن الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات والبولي أسيتات في السوائل البيولوجية مثل الدم والبول وكذلك في المراقبة البيئية للهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات والبولي أسيتات وغيرها من المواد الكيميائية الخطرة في الهواء والماء والتربة، وبالتالي المساعدة في تقييم المخاطر البشرية".