باستخدام Biobanks لتعزيز البحث: دليل إرشادي

كانت رافايلا روجاتو دي فاريا تقترب من نهاية الدكتوراه عندما اقترح مستشارها مشروعًا جديدًا. كانت الفكرة هي تحليل البيانات الوراثية والتصوير والنتائج الجراحية ، للعثور على المؤشرات الحيوية التي يمكن أن تساعد في تحديد الأشخاص الذين يعانون من هشاشة العظام الذين سيستجيبون بشكل أفضل لجراحة استبدال الركبة. عرفت دي فاريا ، وهي رياضي ومهندس طبي حيوي في جامعة ساو باولو ، البرازيل ، التأثير العميق في الغضروف والإصابات المشتركة على حياة الناس ، وبقى على متابعة المشروع بعد أن دافعت عن درجة الدكتوراه في يوليو 2024.

بدأت هي وزملاؤها بجمع البيانات من الأشخاص الذين يعانون من هشاشة العظام في الجامعة. لدى الفريق مجموعة من 200 فرد حتى الآن ، مع جمع البيانات على مدار العامين الماضيين. يقول دي فاريا: “نحن في الواقع نخلق بنك بيولوجي خاص بنا”. “ليس لدينا هذا بعد هنا.”

لكن الفريق أراد أيضًا التحقق من صحة نتائجه مقابل مجموعة بيانات أكبر. اقترح الزملاء النظر إلى البنك الحيوي في المملكة المتحدة ، وهي مجموعة من الصور والبيانات السريرية والوراثية والعينات المادية من 500000 فرد في المملكة المتحدة ، وقد تمت دراسة بعضهم منذ عام 2006. في غضون بضعة أشهر من التقدم للوصول ، كان لدى De Faria في بياناتها من 40،000 شخص يعاني من التهاب المفاصل العظمي ، نصفهم لم يسبق له مثيل. هذه زيادة 200 ضعف على الفوج الأصلي لها. يقول دي فاريا: “كانت البيانات بالضبط ما كنا نحتاجه”.

بلدي القمر للحفاظ على الأنواع المهددة بالانقراض

احتياجات بيانات De Faria ليست فريدة من نوعها. في جميع أنحاء العالم ، غالبًا ما يجد الباحثون الذين يدرسون صحة الإنسان أنفسهم في حاجة إلى المزيد من العينات. يمكن أن يحاولوا جمعهم بأنفسهم أو تتبع العينات الحالية من خلال الاتصال بالباحثين في نفس مجال الدراسة. بدلاً من ذلك ، يمكنهم التواصل مع الكيانات التي تم إنشاؤها على وجه التحديد لمشاركة هذه الموارد: Biobanks.

يتراوح حجم Biobanks من مقياس مختبر واحد ، مثل المجموعة التي بدأها De Faria ومستشارها ، إلى مصادر Biobank في المملكة المتحدة ، واحدة من أكبر هذه المجموعات في العالم. يحتوي معظمهم على كل من البيانات والعينات المادية التي يمكن للباحثين طلب دراساتهم. وعلى الرغم من أن بعض البنوك الأصغر تهدف إلى خدمة الباحثين في مؤسسة واحدة ، إلا أن المبادرات واسعة النطاق مثل البنك الحيوي في المملكة المتحدة والدراسة المحتملة في مدينة مكسيكو ومبادرة الولايات المتحدة جميعًا من قبل المعاهد الوطنية للصحة الأمريكية (NIH) مصممة لتلبية احتياجات مجتمع البحث العالمي.

بالنسبة للعديد من الباحثين ، يمكن أن تعني Biobanks الفرق بين المشروع الناجح والمادة التي تتوقف عن عدم وجود بيانات حاسمة. ومع ذلك ، فإن معظم البنوك الحيوية غير مستغلة ، حيث تشير بعض الدراسات الاستقصائية إلى أن أقل من 10 ٪ من العينات المصرفية تعتاد ، كما تقول أماندا راش ، الباحث في مجال الصحة في جامعة سيدني في أستراليا.

عند التخطيط لمشروع محسّن للبنوك الحيوية ، يجب على الباحثين أن يزنوا إيجابيات وسلبيات إنشاء مجموعتهم الخاصة من العينات والبيانات مقابل الدعم الذي يمكن أن تقدمه الحيويات الحيوية الأكبر والحالية. ويجب عليهم أيضًا أن عاملين في الاعتبارات العملية مثل التكلفة وأمن البيانات والجوانب القانونية لشحن المواد البيولوجية.

ثم هناك اعتبارات أكثر استراتيجية. يقول راش إن بعض المشاريع قد يتم تقديمها بشكل أفضل من خلال وجود عدد كبير من العينات ، لكن البعض الآخر قد يستفيد من مجموعة مخصصة توفر بيانات تعريف أكثر ثراءً لكل عينة. وتقول إن هناك سيناريوهات مختلفة “تأتي كل من هذه Biobanks” في المقدمة “.

جذور biobanks

يقول بيتر واتسون ، الذي يقود الخدمات الحيوية في BC Cancer Research ، وهو معهد للأبحاث في فانكوفر ، كندا ، إن النقل الحيوي كمؤسسة ينبع من التقدم التكنولوجي الذي بدأ في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي. تعني تقنيات تسلسل الحمض النووي السريع ، والحوسبة الأسرع وقواعد البيانات الأكبر والأقوى أنه يمكن جمع البيانات البيولوجية وإعادة استخدامها إلى ما لا نهاية. لكن الجهود المبذولة لإنشاء مستودعات للبيانات والعينات كانت في الغالب مخصصة ومخصصة. يقول: “لقد كان مجرد نوع من الجهود الفردية في مؤسسات مختلفة”.

يمكن أن يكون لهذه الجينات آثار معاكسة اعتمادًا على الوالد الذي أتوا منه

كطالب دراسات عليا يدرس أورام الأطفال النادرة في أوائل التسعينيات ، اعتمد جينيفر بيرن ومستشارها اعتمادًا كبيرًا على الأنسجة التي تمت إزالتها جراحياً. كانت العينات في كثير من الأحيان كبيرة-في إحدى المرات ، يتذكر بيرن التسرع إلى المستشفى لتلقي عينة بحجم الجريب فروت-وتبرع المرضى على أمل أن يستفيد الآخرون من نفس المرض. يقول بيرن ، الذي أصبح الآن أخصائي الأورام الجزيئي بجامعة سيدني: “لم تكن هناك خطوط خلوية لأنواع السرطان هذه ، لذلك كان علينا دراسة المواد البشرية”. كانت النتيجة فعليًا بنك حيوي ، “لكننا لم ندرك حقًا أننا كنا نفعل ذلك”.

على الرغم من أن العينات التي تم جمعها بهذه الطريقة ليست متاحة بحرية ، بسبب القضايا المتعلقة بالموافقة ، فإن الباحثين الذين يمكنهم إظهار التمويل والموافقة الأخلاقية يمكنهم الاقتراب من الحراس للتعاون ، كما يقول بيرن.

يقول بيرن إن هذا المسار للمحققين الخارجيين للاستفادة من مجموعة هو ما يفصل بين البنوك الحيوية عن خبأ في فريزر المختبر. “تم تصميم Biobanks لإعادة استخدامها لأغراض مختلفة ، من قبل أشخاص مختلفين.”

وتضيف أن فهم سياسات الوصول في وقت مبكر أمر بالغ الأهمية للنجاح. “هل يقدمون عينات لأي شخص ، أم أنها تم إعدادها إلى حد كبير لتلبية احتياجات شبكة واحدة من الباحثين؟” يمكن أن يكون العثور على Biobanks الأصغر ، مع وصول أكثر تقيدًا ، أمرًا صعبًا لأنه لا يتم الإعلان عنه جيدًا بشكل عام. في عام 2016 ، أنشأت بيرن وزملاؤها سجل بنك حيوي للدولة الأسترالية في نيو ساوث ويلز ، مما يسمح للباحثين بإيجاد معلومات حول الموارد في منطقتهم وتسجيل حياتهم الحيوية الخاصة بهم (https://nsw.biobanking.org).

اتبعت الكلية الملكية للجراحين في أيرلندا (RCSI) مقاربة مماثلة ، حيث قامت برعاية العديد من المجموعات الخاصة بالأمراض التي أنشأها باحثو RCSI الفرديين في خدمة بناء بيولوجية مؤسسية في مقرها في دبلن. يقوم البنك الحيوي بتبسيط عملية موافقة المانحين للعينات لاستخدامها في البحث. يمكن للباحثين الذين يرغبون في المساهمة في العينات أن يطلبوا إضافة مجموعاتهم الخاصة ، ويمكن للمتعاونين المحتملين التقدم بطلب لاستخدام المواد أو البيانات. لكن الأطباء الذين جمعوا العينات يظلون متورطين عن كثب في استخدامهم.

في الواقع ، يجب أن يخطط الباحثون الذين يرغبون في الوصول إلى المواد أو البيانات للتعاون بدلاً من التعامل مع البنوك الحيوية كقبة لاستخراج المعلومات ، كما يقول عالم الوراثة RCSI Gianpiero Cavalleri. يقول كافاليري: “نريد استخدامه قدر الإمكان”. “لكن نموذج الوصول النموذجي يتعاون مع المحقق.”

تحجيم

على الرغم من القصد من المشاركة ، فإن الاستفادة من البنك الحيوي المقيد ، يمكن أن يكون تحديًا للعديد من الباحثين ، كما يقول راش. يمكن أن يصل الشحن إلى 50 دولارًا أمريكيًا لكل عينة ، مما يعني أنه قد يكلف آلاف الدولارات لاكتساب ما يكفي من المواد لدراسة كبيرة. علاوة على ذلك ، فإن الاتفاقيات القانونية وغيرها من الاتفاقات المعقدة المطلوبة لنقل العينات البيولوجية أو مشاركة البيانات بأمان يمكن أن يعزف الباحثين في مجال الرعاية المبكر أو أولئك الذين ليس لديهم أواني كبيرة من التمويل. يمكن أن تساعد في التغلب على هذه الحواجز الحيوية الكبيرة إلى التغلب على هذه الحواجز ، لأنها قد تحتوي على أنظمة للمساعدة في الخدمات اللوجستية.

إن المسح الطموح للتنوع البشري يعطي ملايين المتغيرات الوراثية غير المكتشفة

يقول الباحث الإكلينيكي أليكس تشيتوف من جامعة ميشيغان في آن أربور ، وهو أحد الاعتبارات الأخرى ، وهو اتساع العينات المتاحة. بالنسبة لعمله ، يستخدم Chaitoff في كثير من الأحيان قواعد بيانات كبيرة ، مثل NIH All Obank Biobant و US المراكز للسيطرة على الأمراض والوقاية من فحص الصحة والتغذية (NHANES). هذه هي قاعدة البيانات الصحية الوطنية الوطنية الأمريكية التي تشمل معلومات الصحة والتغذية للأشخاص من جميع الأعمار ، مع إضافة حوالي 5000 مشارك كل عام. يقول تشيتوف إن مصادر البيانات “من المرجح أن تكون تمثيلية على المستوى الوطني”. ويضيف: ويضيف أنه جميعنا قيمة بشكل خاص ، لأنه يشمل مجموعات تم استبعادها تاريخيا من الأبحاث العلمية ، مثل المجتمعات الأمريكية الأصلية (كل منا برنامج البحث الجينوم المحققين. طبيعة 627، 340-346 ؛ 2024). يقول: “إنهم يفرطون في عينة من السكان الذين يتم أخطابه بشكل عام في البحث”.

الحصول على الوصول

بمجرد أن يجد الباحثون مصادر حيوية مع البيانات التي يحتاجونها ، يجب عليهم التنقل في المشكلات حول الوصول – والدفع.

كان دنيل ديلجادو كاستيلو ، وهو مهندس طبي حيوي في جامعة المكسيك الوطنية في مكسيكو في مكسيكو ، يمشيط الأدب البحثي حول التغيرات الجسدية في أدمغة الأشخاص الذين يعانون من طواف طويلة عندما تعثر على مجموعة من صور الدماغ التي يحتاجها بشدة. لقد حاول كاستيلو بالفعل ، مع القليل من النجاح ، الوصول إلى مؤلفي الدراسات المختلفة للوصول إلى مجموعات الصور الخاصة بهم. بالمقارنة ، كان المورد الذي اكتشفه ، وهو جزء من بنك المملكة المتحدة Biobant ، أكبر بكثير ، وأسهل في الوصول ويبدو أنه لديه بالضبط ما كان يبحث عنه.

أعطى الإستونيين الحمض النووي الخاص بهم للعلوم – الآن يتعلمون أسرارهم الوراثية

تقدم بطلب للوصول إلى أوائل عام 2024. على الرغم من أن التطبيق الأولي يشير إلى أنه سيكون هناك رسوم في نطاق يتراوح بين 3000 و 9000 جنيه إسترليني (من 4000 إلى 12000 دولار أمريكي) لمدة ثلاث سنوات من الوصول ، عرضت عليه البنك الحيوي منحة لتغطية التكاليف. في غضون أشهر ، كان يعمل مع تصوير الرنين المغناطيسي (التصوير بالرنين المغناطيسي) من 1000 مشارك ، وكان نصفهم طالبة. وكان النصف الآخر ضوابط متطابقة. يقول كاستيلو: “إذا لم يكن لدي تلك الصور ، فسيكون من المستحيل الاستمرار في تحقيقاتي”.

لا يمكن استخدام البيانات من البنك الحيوي في المملكة المتحدة إلا في خدمة الحوسبة السحابية الآمنة الخاصة بها ، وهي منصة تحليل البحث. ويتضمن أدوات لتحليل البيانات الجينية والترجمة ، وإجراء التحليلات الإحصائية على الصور وأنواع البيانات الأخرى ، بالإضافة إلى توفير أدوات تعلم الآلات التي يمكن الوصول إليها باستخدام JupyterLab ، وهو نظام علوم البيانات مفتوح المصدر.

كان التدريب على استخدام مساحة الحوسبة الآمنة في Biobank سهلة ، كما يقول كاستيلو ودي فاريا. ويضيف كاستيلو أن محاولة إعادة إنشائها على أنظمتهم المؤسسية كانت مرهقة ومكلفة. يقول: “لقد كان الأمر بمثابة ارتياح بالنسبة لي لأن جميع أمن البيانات مدمجة في منصة تحليل البحث”. “لا داعي للقلق بشأن ذلك.”

تفتح أكبر مجموعة من تسلسل الجينوم البشري في العالم للعلماء