Table of Contents
مقدمة: مشروع " نحو رصد ثقافة خلية الزمن الحقيقي "
وقد اعتمدت البحوث المتعلقة بثقافة الخلايا منذ وقت طويل على نتائج العرض النهائي، بينما توفر هذه البيانات بيانات قيمة، فإنها تفتقد إلى التغيرات الدينامية والمستمرة التي تحدث بين القياسات، كما أن ظهور تكنولوجيات اقتناء البيانات في الوقت الحقيقي يغير بشكل أساسي هذه النموذج، ومن خلال إدماج أجهزة الاستشعار المتقدمة والمركبات الفلورية، والوصلات، يمكن للباحثين الآن أن يحترموا العمليات الخلوية التي تتميز بها، وتسريع الأحداث
ويؤدي الرصد في الوقت الحقيقي إلى تقليل الحاجة إلى أخذ العينات اليدوية، وإلى التقليل من مخاطر التلوث إلى أدنى حد، وإلى التمكين من إجراء تجارب كانت غير عملية في السابق مثل الدراسات الطويلة الأجل لسلوك الخلايا تحت الاضطرابات الخاضعة للرقابة، ومع نضج هذه التكنولوجيات، أصبحت أدوات أساسية في المختبرات الحديثة، وتدرس هذه المادة التكنولوجيات الناشئة الرئيسية التي تؤدي إلى هذا التحول، ومزاياها، والتحديات الراهنة، والمشهد المستقبلي لاقتناء البيانات المتعلقة بثقافة الخلايا.
التكنولوجيات الرئيسية الناشئة
وقد أدى الدافع نحو الرصد المستمر وغير المتفشي إلى عدة نُهج تكنولوجية متميزة، كل منها يوفر قدرات فريدة ومبادلات، ويجري الجمع بين العديد منها لإنشاء منابر متكاملة توفر بيانات شاملة في الوقت الحقيقي.
أجهزة الاستشعار الضوئية
وتستخدم أجهزة الاستشعار الضوئية الضوء لاستجواب ثقافات الخلايا دون اتصال مادي، وبقيام التغيرات في الامتصاص أو الفلور أو التكاثر، يمكن لهذه أجهزة الاستشعار أن تتبع الكثافة الخلوية أو القدرة على البقاء أو النشاط الأيضي، بل وحتى التعبير عن العلامات الأحيائية في الوقت الحقيقي، وقد تكون التقنيات البصرية غير الغازية مثل الترسبات الضوئية، أو الاختبار المغناطيسي، أو الاختبار الافتراضي في البلازما، أو الاختلاط.
ومن أهم التطورات الواعدة إدماج أجهزة الاستشعار الألياف الضوئية مباشرة في السفن الثقافية، ويمكن وضع هذه المسبارات الصغيرة والقابلة للتنبؤ داخل المفاعلات البيولوجية أو لوحات متعددة، وإرسال إشارات خفيفة إلى أجهزة الكشف الخارجي، مما يتيح القراء المستمرة التي تنطوي على أدنى قدر من الاضطرابات في البيئة الثقافية، وعلى سبيل المثال، فإن أجهزة الاستشعار عن طريق الأوكسجين وأجهزة الاستشعار عن بعد التي تستخدم في أجهزة الاستشعار الضوئية هي الآن معايير تجارية.
وفي حين أن أجهزة الاستشعار البصرية توفر مزايا واضحة في عدم التفشي، فإنها يمكن أن تكون محدودة بالاضطرابات المتوسطة، والحساسية على التجارب الطويلة، والحاجة إلى معايرة، وتركز البحوث الجارية على تحسين القدرة على التكرار، والحد من الانجراف، وتوسيع نطاق التحليلات التي يمكن الكشف عنها في وضع خال من البطاقات.
الأجهزة الميكانيكية الصغيرة
وتشمل الفلوريديات الدقيقة التلاعب بالأحجام الصغيرة من السوائل (الميكرويات المتطايرة إلى الملاحين) في القنوات التي تتراوح بين عشرات ومئات الميكرومترات الواسعة، وفي الثقافة الخلوية، تتيح الأجهزة الفلورية التحكم الدقيق في المغذيات الخلوية المصغرة، وإزالة النفايات، وتطبيق الطوابع الكيميائية أو الآلية ذات التسويف العالي التوابع، وهذه المراقبة تتطلب وجود ظروف حيوية لتوليد التجريبي.
(ب) الرصد في الوقت الحقيقي هو امتداد طبيعي للمركبات الفلورية، وبإدماج أجهزة الاستشعار مباشرة في رقاقة الفلوريك، يمكن للباحثين قياس ردود الخلايا عند حدوثها، وتشمل أجهزة الاستشعار المتكاملة المشتركة الكهروكيميائية للهيدروك والأكسجين، وأجهزة الموج الضوئية لكشف الفلور، وأجهزة الاستشعار الكابسي لتشويش الخلايا.
وعلى الرغم من قدرتها، يمكن أن تكون نظم الفلوريكات معقدة لتصنيع وتشغيلها، وكثيرا ما تتطلب مضخات متخصصة وصمامات وبرامجيات للمراقبة، غير أن الاتجاه نحو تصميمات نموذجية سهلة الاستعمال يجعلها أكثر سهولة الوصول إليها، أما البرامج التجارية للفلوريكات فتعرض الآن رقائق منضدة وملعبة للمشاهدات المشتركة، مما يقلل من الحواجز أمام المختبرات التي لا تتوفر فيها خبرة في مجال الهندسة الدقيقة.
Impedance Spectroscopy
ويحدّد التخمينات العنيفة من النقص الكهربائي للخلايا كوظيفة من وظائف التردد، وعندما تُلحق الخلايا سطح الكهروود، فإنها تعوق تدفق التيار، وتتحول إشارات الاختراق إلى رقم الخلايا وحجمها وشكلها وسلامتها، وتوفر قراءتها خالية من العلامات والوقت الحقيقي لقابلية الخلايا وانتشارها وسمية السايتوتوكسيت.
(ب) تستخدم نظم التصريف الحديثة قياسات متعددة الترددات لاستخراج المزيد من المعلومات عن حالة الخلايا، فعلى سبيل المثال، فإن الترددات المنخفضة حساسة إزاء تخلف الخلايا - الاختزال، في حين أن ارتفاع الترددات يُظهر وجود كبسولات متماثلة وخواص التخميد والأشعة السيقفية، ويمكن أن تُشغل أجهزة التليف المتطورة هذه الإشارات إلى أحداث خلوية محددة مقترنة بتشكيلات مختلفة.
ويتمثل أحد القيود في أن قياسات الإملاء تقتصر على الخلايا الموجودة على سطح الكهروود، التي قد لا تمثل الثقافة بأكملها، ولا سيما في نظم ثلاثية الأبعاد، غير أن ثلاثية الأبعاد تستخدم الكهروديس المترابطة أو الطيفات الخبيثة يجري تطويرها لمعالجة ذلك، وأن تبسيط التكنولوجيا وتدني التكلفة يجعلانها خيارا جذابا للرصد المستمر، ولا سيما عندما يقترن بطرائق أخرى.
شبكة الإنترنت المتكاملة للأشياء
وتشير شبكة الإنترنت إلى شبكات الأجهزة المادية المدمجة بالالكترونيات والمجسات والوصلات التي تتيح تبادل البيانات، وفي الثقافة الخلوية، تربط نظم إيوت أجهزة الاستشعار والحاضنة والكاميرات وغيرها من معدات المختبرات بمنصة بيانات مركزية، مما يتيح للباحثين رصد التجارب عن بعد وفي الوقت الحقيقي، وتحوّل هذه القدرة على جمع البيانات المختبرية عن طريق تقليل الحاجة إلى وجود مادي مستمر وتمكين 24/7.
ويمكن أن تشمل مجموعة من ثقافات الخلايا التي يمكن استخدامها في استخدام تكنولوجيا المعلومات (IoT) درجة الحرارة وثاني أكسيد الكربون (FLT:0)(2) ] مستشعرات في الحاضنة أو الارتجال أو الحساسيات البصرية في سفينة الثقافة، وميكروسكوب ضيق الوقت، وجهاز سحابي يجمع جميع مسارات البيانات.
وتمتد فوائد مادة التحلل الضوئي في الثقافة الخلوية إلى ما هو أكثر ملاءمة، إذ تتيح مجاري البيانات المستمرة الكشف المبكر عن التلوث أو عطل المعدات أو السلوك الخلوي غير المتوقع، وعلاوة على ذلك، ييسّر إدماج مادة إيوت الدراسات المتعددة المواقع التي يمكن فيها توحيد البيانات من مختلف المختبرات ومقارنتها، ومع ذلك فإن ورقة بيضاء من " المؤسسات الوطنية للصحة " تُحسّن نظاماً آلياً " .
ألف - مزايا التكنولوجيات الناشئة لاقتناء البيانات في الوقت الحقيقي
ويجلب الاعتماد المشترك للمستشعرات البصرية والمركبات الميكروفية، وأجهزة التصوير المطيفي، ونظم إيوت عدة فوائد مترابطة تعيد تشكيل البحوث المتعلقة بثقافة الخلايا.
بيانات مستمرة وشديدة التوثيق
ولا توفر المقادير التقليدية للنقطة النهائية سوى بضع نقاط زمنية لكل تجربة، وربما تكون تغيرات عابرة مفقودة - مثل انفجار قصير من أنواع الأكسجين الرجعي أو تحول سريع في المورفولوجيا، وتولد عملية الشراء في الوقت الحقيقي مسارات بيانات مستمرة، غالبا ما تكون بمعدلات ثواني إلى دقائق، وهذا القرار الزمني المرتفع يمكن الباحثين من تحديد التوقيت الدقيق للظواهر الخلوية، والبارامترات الحركية الحادة (مثل، معدلات النمو، وقيم الفرعية للأشعة)
انخفاض عدد حالات الرعب البشري والتلقائية
ويُعدّ هذا الدليل العينات والاحتواء والعدّ مُحدثاً للتغيرات وكثافة اليد العاملة، وتُؤمِّن النظم الحالية هذه المهام آلياً: ويُتخذ أجهزة الاستشعار مقاييس دون تدخل من جانب المستعملين، وبيانات سجلات البرامجيات تلقائياً، مما يقلل من تحيز المشغلين ويحرر الباحثين للتركيز على التصميم التجريبي، ويتيح تجهيز عينات متوازية، كما أن الرصد الآلي في الوقت الحقيقي يقلل أيضاً من خطر وقوع أخطاء مثل نقاط الفرز المردودة أو الموثيق.
الرصد عن بعد والتقلب
ويعني الربط بين الفينول الخماسي الكلور أن بإمكان الباحث أن يفحص الحالة الثقافية من أي مكان أثناء انعقاد المؤتمر أو بعد ساعات أو أثناء السفر، وهذا المرونة يسمح بإجراء التجارب على مدى عطلة نهاية الأسبوع أو فترات طويلة دون الحاجة إلى وجود الموظفين، ويمكن للتنبيهات أن تخطر أعضاء الفريق على الفور إذا كانت البارامترات انحرفت (مثلاً، الخصم من النطاق)، مما يتيح اتخاذ إجراءات تصحيحية قبل أن تتعرض للخطر.
تحسين نوعية البيانات وإمكانية استنساخها
ويقلل جمع البيانات المستمر من عدد النقاط الزمنية التي يمكن أن تحجب الاتجاهات، مع التسجيل الآلي للظروف البيئية (الطبيعة، وثاني أكسيد الكربون، و(FLT:0))(2) ، والرطوبة)، والنظم الحالية تنتج بيانات أكثر ثراء وأكثر قابلية للتكاثر، وهذه البيانات الفوقية حاسمة في فهم الأسباب التي قد تؤدي إلى اختلاف التجارب بين العمليات أو المختبرات.
التحديات والحدود الحالية
وعلى الرغم من وعدهم، فإن تكنولوجيات الاحتياز الحديثة العهد تواجه عدة عقبات يجب التغلب عليها من أجل اعتمادها على نطاق أوسع.
التكاليف الأولية العالية ومتطلبات الهياكل الأساسية
وكثير من أجهزة الاستشعار المتقدمة ومنابر الفلوريكية باهظة التكلفة، كما أن نظاما متكاملا تماما للوقود متعدد أجهزة الاستشعار وتخزين البيانات والبرامجيات يمكن أن يكلف عشرات الآلاف من الدولارات، وقد يكون باهظا بالنسبة للمختبرات الأصغر أو التي توجد في ظروف محدودة بالموارد، وبالإضافة إلى ذلك، فإن إعادة تشكيل الحاضنات والمعدات القائمة لدعم هذه أجهزة الاستشعار تتطلب أحيانا مكيفات أو تعديلات خاصة، بينما تظل التكاليف في البداية تصاعدة مع التكنولوجيا.
تكامل البيانات وإدارتها
وتولد النظم الحالية كميات كبيرة من البيانات التي يمكن أن تكون مائلة على التجارب الطويلة، حيث إن تخزين هذه البيانات وتجهيزها وتحليلها يتطلب وجود بنية أساسية قوية لتكنولوجيا المعلومات وموظفين مهرة، حيث أن إدماج البيانات من أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار (مثلا، الاختراق، الاختراق، الصحة البصرية) في إطار موحد، وكثيرا ما تفتقر مختبرات كثيرة إلى الخبرة الفنية في مجال البرامجيات اللازمة لبناء خطوط أنابيب مصممة، كما قد لا تشمل المعايير التجارية.
التدريب المتخصص وسهل الاستخدام
وكثيرا ما تتطلب أجهزة الاستشعار الضوئية والأجهزة الفلورية الدقيقة معايرة، ومناولة رقائق الفلوريك، وفهم تجهيز الإشارات، وتشمل المطيافات العتيقة إعداد وتفسير البيانات المعتمدة على الترددات الكهربائية، وتتطلب نظم التأشيرات تشكيل الشبكة والتوعية بأمن الفضاء الإلكتروني، وقد تحتاج المختبرات إلى تدريب الموظفين أو أخصائيي التوظيف، مما يضيف إلى التكلفة التشغيلية، ويعمل العديد من الصانعين على نظم " مفتاح التشغيل " ، ولكن مع تبسيط عملية التعلم.
قابلية الحساسية والأداء الطويل الأجل
ويمكن أن يؤدي الرصد المستمر الطويل الأجل إلى حدوث انجرافات في أجهزة الاستشعار أو التطهير الأحيائي (البروتين أو الخلايا المتراكمة على سطح أجهزة الاستشعار) أو تدهور المكونات البصرية، وبالنسبة للتجارب التي تستمر أياما أو أسابيع، فإن الحفاظ على معايرة العينات وضمان استقرار أجهزة الاستشعار أمر صعب، وقد تستهلك بعض أجهزة الاستشعار (مثلا أجهزة الكهروكيميائية) أو تنتج معطفا ثانويا لا تؤثر على الثقافة.
الاتجاهات المستقبلية والتوقعات
ويتقدم الميدان بسرعة، حيث من المرجح أن تشكل عدة اتجاهات الجيل القادم من رصد ثقافة الخلايا في الوقت الحقيقي.
التنميـة والإدماج
ومن المرجح أن تجمع نظم الاستشعار في المستقبل بين طرائق الاستشعار المتعددة في رقائق واحدة مدمجة، مثلا، يمكن لجهاز مختبري على جهاز مضغ أن يدمج أجهزة الكشف البصري، والكهرباء المسببة للارتحال، وقنوات الفلوريك للارتطام، كلها في إطار نظام قياسي متعدد الوجوه، ويقلل من التكلفة والتعقيد في الوقت نفسه، ويحسن الترابط بين البيانات، ويمكِّن استحداث مواد حسية مرنة ومحتوية على حساسية (مثلا، وتقنة عضوية)
الاستخبارات الفنية والنسخة الآلية
ويمكن أن تحلل مجرى البيانات في الوقت الحقيقي للتنبؤ بدول الخلايا، وكشف الشذوذ، وحتى التحكم في البارامترات الثقافية بصورة مستقلة، فعلى سبيل المثال، قد يؤدي نمط الإهمال إلى صمامات ميكروفونية لإضافة مخدر أو تغيير تكوين وسائط الإعلام، كما أن نظما مغلقة ذات مواقع تحافظ على الظروف المثلى لنمو الخلايا دون تدخل بشري قد تكون في طور التطوير بالفعل.
توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل
ومع انتشار تكنولوجيا التوحيد القياسي وتكنولوجيا الاستشعار، هناك دفعة متزايدة لمعايير البيانات (مثل مبادئ FAIR - المالية، والمتاحة، والمتقابلة للتشغيل، والمقابلة للاستعمال)، وبروتوكولات الاتصالات المشتركة (مثل MQTT أو OPC UA) فيما يتعلق بأجهزة المختبرات، وتعمل التعاونيات مثل مؤسسة آلتروبي على وضع نماذج موحدة للبيانات فيما بين الأدوات التحليلية.
الحلول المتاحة والمفتوحة المصدر
وتجلب حركة المعدات المفتوحة المصدر قدرات الرصد في الوقت الحقيقي إلى جمهور أوسع، إذ تتيح مشاريع مثل نظام " أوفر ترونز " ، ونظم الاستشعار ذات القاعدة المنخفضة التكلفة في الأردونية، ومنابر البرامج المتطورة في المجتمعات المحلية (مثلا، بونساي، ولابفيو، البدائل) المختبرات بناء نظم رصد تناسبية لجزء من تكلفة النظم التجارية، ويتزايد النظام الإيكولوجي لمعدات المختبرات الوصول إلى المصادر المفتوحة، مجتمعة.
خاتمة
إن اقتناء البيانات في الوقت الحقيقي لم يعد مفهوماً لا جدوى منه، بل حقيقة عملية بالنسبة للبحوث المتعلقة بثقافة الخلايا، فالأجهزة الاستشعارية الضوئية والأجهزة الفلورية المصغرة، وأجهزة إعادة التصفح، ونظم التوحيد القياسي، تسهم جميعها في القدرات الأساسية للرصد المستمر والدقيق، وتخفض معاً الاعتماد على عمليات الاستنفار، وتحسن نوعية البيانات، وتسمح بإجراء تجارب كانت مستحيلة في السابق، بينما تشكل تحديات تتمثل في الحصول على أدوات رصد وقصور، وتقدم تكنولوجي سريع.