المتعدد الأوميات هو الخطوة التالية في التكنولوجيا الحيوية

ثورة الجينوم

معظم التقدم في الطب وحتى الزراعة خلال العقدين الأخيرين كان على خلفية ثورة الجينوم. من خلال معرفة التركيب الجيني للكائنات الحية، يمكن للعلماء العثور على أهداف جديدة للعلاجات، وطرق جديدة لتحسين إنتاج المواد القيمة، وحتى البدء في تعديل الجينوم نفسه بفضل تحرير الجينات. هذا الآن يصبح عملًا كبيرًا، مع الموافقة على أول علاج تحرير جيني (Casgevy) بسعر 2.2 مليون دولار.

ما دفع هذه الثورة هو الفهم الأعمق للعمليات البيولوجية بفضل تسلسل الجينوم. ومع ذلك، فإن الجينوم ما زال مجموعة بيانات بدائية إلى حد ما. إنه يشبه القاموس الكامل، مع “الإملاء” الدقيق لكل بروتين في الخلية. لكن الخلية الحية تشبه رواية كاملة، حيث يكون ترتيب “الكلمات” (الـ RNA والبروتينات) أكثر صلة.

من الجينوميات إلى المتعدد الأوميات

تعقيد خلية واحدة، بل وأكثر من ذلك جسم الإنسان الكامل، هو السبب في الحاجة إلى أساليب تحليلية أكثر تقدمًا من الجينوميات. وهناك العديد منها:

• تحليل النسخيات: تحليل الـ mRNA.
• تحليل البروتيوميات: تحليل البروتينات، بما في ذلك تعديل البروتينات بالسكريات (“ما بعد الترجمة”).
• تحليل الأيضيات: تحليل المركبات الكيميائية والتمثيل الغذائي.
• تحليل الإبيجينوميات: تعديل الجينوم دون التأثير على التسلسل الجيني، أو “الإبيجينيتكس”.
• تحليل الميكروبيوميات: تحليل جميع الميكروبات التي تعيش داخل أو على الجسم.
• تحليل متعدد الأوميات للخلية الواحدة: تحليل متعدد الأوميات على خلايا فردية.
• علم الأحياء المكاني: تحليل موقع الـ mRNA، البروتينات أو الخلايا المحددة في ثلاث أبعاد.

هذه الأساليب التحليلية غالبًا ما تكون أكثر تعقيدًا بأوامر حجمية مقارنةً بـ “الجينوميات البسيطة”. يمكن لكل منها، ومن الناحية المثالية، يجب دمجها مع الأخرى لتقديم صورة أوضح للتعقيد الحقيقي للكائن الحي.

عند دمجها، تسمح بـ “متعدد الأوميات” تحليلات.

انفجار بيانات المتعدد الأوميات

تحليل البروتيوميات

زادت القدرة على تحليل البروتينات بمقاييس عدة أضعاف خلال عقد واحد فقط.

كما هو موضح في هذا الرسم البياني من ARK Invest (مع مقياس لوغاريتمي)، يمكن الآن تحليل مئات الآلاف من البروتينات في ساعة واحدة، مع قدرة طرق البروتيوميات على تمييز ما يصل إلى 10,000 بروتين لكل عينة. كما انخفضت تكلفة العينة بشكل مستمر، من 1,000 دولار في 2011 إلى 100 دولار فقط في 2023، أي انخفاض بنسبة 23% سنويًا.

المصدر: ARK Invest

لقد سرّع هذا بشكل جذري اكتشافات مؤشرات السرطان وتطوير العلاجات الدقيقة، وهو موضوع بحثنا بعمق في “معالجة غير القابل للعلاج بالعلاجات الدقيقة – فرصة بقيمة 4 تريليون دولار؟”.

تحليل النسخيات

الـ mRNA هو “دليل التعليمات” لقاموس الجينوم. الشكل والكمية للـ mRNA هما ما يحدد حقًا كيفية تعبير الجين واستخدامه في الخلية.

المشكلة في النسخيات المبكرة كانت أنها كانت تحتاج إلى تحليل آلاف الخلايا على الأقل في آن واحد، إن لم يكن ملايين. هذا يمحو كل تفاصيل التغييرات في الـ mRNA التي كانت عابرة أو محلية جدًا.

هذا تغير مع إمكانية تحليل الـ RNA على مستوى الخلية الواحدة، مما أحدث ثورة في فهمنا للسرطان. من خلال ذلك، يمكننا معرفة بالضبط أي جين مسؤول عن السرطان وأي نوع فرعي من الخلايا يفعله فعليًا.

المصدر: ARK Invest

أوميات أخرى

على الرغم من حداثتها، فإن الأساليب التحليلية الأخرى لا تقل واعدة.

علم الأحياء المكاني يسمح بتحليل الخلايا الفردية وكيفية تفاعل الخلايا المختلفة والـ RNA أو البروتينات مع بعضها البعض. في الوقت الحقيقي إذا لزم الأمر. هذا يفتح مجالات علمية جديدة تمامًا، وهو ما ناقشنا بمزيد من التفصيل في مقالتنا “علم الأحياء المكاني: Nanostring مقابل 10x Genomics (TXG ) ”.

الميكروبيوميات تجعل من الممكن استخدام البكتيريا في أمعائنا أو على بشرتنا لطرق علاجية جديدة. على سبيل المثال، تم ربط اضطراب طيف التوحد مؤخرًا بميكروبيوم الأمعاء. وهو ما يتماشى مع “دراسات تُظهر فوائد طويلة الأمد على أعراض التوحد وميكروبيوم الأمعاء من خلال علاج نقل الميكروبيوتا”.

الإبيجينوميات قد تصبح الخطوة التالية في العلاجات الدقيقة، مع إمكانية ضبط تعبير الجينات في خلايا السرطان، على سبيل المثال.

المصدر: National Library of Medicine

“تجديد الإبيجينيتكس” هو أيضًا احتمال لعكس الشيخوخة، وهو أحد الأساليب التي ناقشناها في مقالتنا “الشيخوخة جزء من الحياة – وهذا لا يعني أننا لا نستطيع مقاومة”.

الذكاء الاصطناعي لمساعدة معالجة بيانات المتعدد الأوميات

نتيجة انخفاض التكاليف وزيادة القدرة على تحليل المتعدد الأوميات هي تدفق هائل للبيانات كما لم يحدث من قبل. أصبح من الصعب على أي باحث أن يفرز هذه البيانات يدويًا للعثور على النقاط ذات الصلة.

لحسن الحظ، يحدث ثورة المتعدد الأوميات في وقت يصبح فيه الذكاء الاصطناعي أكثر قدرة.

الذكاء الاصطناعي، التعلم الآلي (AI/ML)، والأتمتة يزودون بالفعل اكتشاف الأدوية. هذا بحد ذاته يجب أن يساعد في تقليل تكلفة اكتشاف الأدوية بشكل كبير، بفضل فحص الذكاء الاصطناعي لمكتبة الأدوية الحالية والمحتملة، وتوقع النتيجة المحتملة “in-silico”. هذا وحده قد ينمو مساحة العلاجات الدقيقة بمعدل نمو سنوي مركب 26% خلال السنوات السبع القادمة، من حوالي 820 مليار دولار في 2023 إلى حوالي 4.5 تريليون دولار في 2030.

المصدر: ARK Invest

لكن اكتشاف الأدوية هو مجرد الخطوة الأولى. يمكن أيضًا استخدام الذكاء الاصطناعي لتوقع الخصائص الكيميائية للجزيئات أو البروتينات الجديدة، مثل أداة الذكاء الاصطناعي “Distributional Graphormer” من مايكروسوفت.

المصدر: Microsoft

يمكن للذكاء الاصطناعي أيضًا توقع ما إذا كان الجزيء سامًا دون الحاجة لاختباره على خلايا حية أو حيوانات. يمكن دمجه مع الأتمتة لتشغيل تجارب على نطاق واسع، بما في ذلك محاكاة “Organ-on-a-chip” أو تجارب مؤتمتة (معالجة سائلية مؤتمتة، “invivomics”، أو الميكروسينثيس).

أخيرًا، يمكن لتكامل الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا المعلومات تحسين تصاميم التجارب السريرية، مع تجارب أكثر تكيفًا، ومزيد من المؤشرات الحيوية المتعقبة، أو حتى تجارب لامركزية.

المصدر: ARK Invest

أسهم المتعدد الأوميات

1. Pacific Bioscience (PacBio)

بدأت بعد بضع سنوات من صعود شركة Illumina الرائدة في تسلسل الجينوم، وكانت PacBio اللاعب الأصغر في تسلسل الجينوم منذ ذلك الحين. رغم صغر حجمها، حافظت معدات الشركة على أعلى مستوى من الأداء.

إنها أيضًا 8^th أكبر حصة في صندوق ARK Genomic Revolution ETF.

PacBio استحوذت مؤخرًا على Omniome في 2021، مما منحها ميزة في الدقة لقراءة السلاسل الجينية الطويلة أو القصيرة جدًا. تم تعزيز هذه الميزة لاحقًا عبر الاستحواذ على Apton مقابل 110 مليون دولار في أغسطس 2023، والتي تخصصت أيضًا في القراءة القصيرة عالية الإنتاجية (SR-HI).

المصدر: PacBio

أنظمة Onso من PacBio بدأت الآن في الشحن للعملاء، وقد وصفت الشركة إطلاقها بأنه “أفضل بداية في تاريخ PacBio”. ستركز على السلاسل القصيرة، بينما سيمكن نظام Revio HiFi من قراءة السلاسل الطويلة والعمل على مدار 24/7، مما يتيح قراءة 1,300 جينوم بشري كامل سنويًا (حوالي 4 يوميًا). لاحقًا، سيُستبدل Revio HiFi بنظام HT SBB، الذي من المحتمل أن يدمج تقنية Apton.

تتوقع PacBio أن تنمو السلاسل الطويلة أسرع بكثير من سوق NGS (التسلسل الجيني من الجيل التالي) الأوسع وتدعي أن أنظمتها أكثر دقة بـ10 أضعاف مقارنةً بالمنافسين.

المصدر: PacBio

من المثير للاهتمام، أنها قد تقلل أيضًا من التكلفة الإجمالية لتسلسل الجينوم. بدون الدخول في تفاصيل تقنية، تحتاج السلاسل القصيرة إلى إعادة تجميعها في كلٍ شامل. لذا قد تحتاج جينوم قراءة قصير بقيمة 500 دولار إلى تحليلات إضافية بتكلفة إجمالية تصل إلى 1,500 دولار لتكون أداة تشخيصية فعّالة.

لذلك، تحليل السلسلة الطويلة Revio بقيمة 950 دولار يتجنب هذه الخطوة ويصبح أرخص للتطبيق التشخيصي.

سيركز PacBio على تحليل السلاسل الطويلة/الدقيقة، مما يمنحه ميزة في التشخيص خلال السنوات القليلة القادمة. يعتقد إدارة PacBio أن ذلك قد يعزز اختراق الشركة في جينوم الإنسان من 5% حاليًا إلى 10%، وفي مجال الأورام (السرطان) من 1% إلى 5%.

بينما تركز PacBio في المقام الأول على منافستها القديمة مع Illumina، قد تضطر أيضًا إلى التنافس مع Oxford Nanopore في سوق التشخيص/السلاسل الطويلة.

2. 10x Genomics Technology

تُعد 10x Genomics رائدة في علم الأحياء المكاني، الذي يدرس الجينوم والترنسكربتوم في ثلاث أبعاد، مما يسمح بتصوير نشاط الجينات على المستوى الخلوي أو حتى داخل الخلية.

تأسست الشركة في 2012، وكان Serge Saxonov أحد مؤسسيها، مدير البحث والتطوير في شركة اختبار الجينوم الشخصي 23andMe.

إنها أيضًا 12^th أكبر حصة في صندوق ARK Genomic Revolution ETF.

نمت 10x Genomics باستخدام مزيج من البحث والتطوير (أكثر من 1 مليار دولار استثمارًا في البحث والتطوير حتى الآن) والاستحواذات لتوسيع حضورها في مجالات أوميات متعددة. على سبيل المثال، تم الحصول على منصة Visium للترنسكربتوم المكاني للأنسجة عبر الاستحواذ على Spatial Transcriptomics في 2018.

وهذا هو أيضًا كيف استحوذت 10x Genomics على منصة Xenium لتصوير الخلية الواحدة من خلال الاستحواذ على Readcoor وCartana في 2020.

في 2020، أطلقت أيضًا منصة Chromium، وتم تحديثها العام التالي إلى Chromium X، لتسلسل RNA للخلية الواحدة.

من خلال الاستحواذ على Tetramer Shop في 2021، أطلقت 10x Genomics أيضًا BEAM (Barcode Enabled Antigen Mapping) في 2022. يتيح ذلك للباحثين تحديد مكونات الجهاز المناعي بتفصيل. قد يكون لهذا تأثير كبير في أبحاث المناعة والأمراض الجديدة.

مخطط استحواذات 10x Genomics- المصدر: 10x Genomics

فازت الشركة أيضًا في سبتمبر 2023 بنصر حاسم ضد منافستها الرئيسية، Nanostring. تم حظر Nanostring الآن من بيع أدوات CosMx Spatial Molecular Imager (SMI) في معظم دول الاتحاد الأوروبي لتعديها على براءات 10x Genomics.

أدى ذلك إلى الإعلان أن Nanostring تقدم طلبًا للإفلاس وتستكشف مبيعات محتملة في فبراير 2024.

اتهمت NanoString 10x Genomics برفع دعاواها “بهدف واضح هو تقليص المشهد التنافسي لمنصات علم الأحياء المكاني المختلفة على حساب الصالح العام”.

بشكل عام، يبدو أن 10x Genomics في موقع يمكنها من تأسيس ميزة قوية في سوق علم الأحياء المكاني، بما في ذلك الترنسكربتوم الخلوي وتحديد المستضدات.

لا تزال الشركة في مراحلها الأولى، مشابهة إلى حد ما لأيام Illumina وPacific Biosciences الأولى. حاليًا، يقتصر علم الأحياء المكاني على عالم البحث الأكاديمي والأساسي. لكن مثل العديد من التقنيات الحيوية، قد يصبح يومًا ما واسع الانتشار، ويتحول ببطء إلى أداة طبية، ثم يصبح اختبارًا “روتينيًا”. على أي حال، من المتوقع أن يدفع تزايد عدد الأجهزة المثبتة مبيعات المستهلكات ونمو الإيرادات.