علم السموم

^{[ 1 ]} علم السمومهو دراسة البروتينات المرتبطةبالسم، وهي مادة سامة تفرزها الحيوانات، والتي يتم حقنها عادة إما بشكل هجومي أو دفاعي في الفريسة أو المهاجمين، على التوالي.

يُنتَج السم في غدة (أو غدد) متخصصة، ويُفرَز عبر أنياب مجوفة أو إبرة لاسعة في عملية تُسمى التسمم. تتمثل الوظيفة الرئيسية للسم في تعطيل العمليات الفيزيولوجية للحيوان المصاب من خلال آليات سمية عصبية ، أو خلوية، أو عضلية، أو دموية. وهذا بدوره يُساعد في بعض العمليات، مثل اصطياد الفرائس أو الدفاع عن النفس ضد المفترسات. وقد تطور السم مرات عديدة في مختلف الشعب، حيث طورت كل شعبة أنواعها الفريدة من السم وطرق إفرازه بشكل مستقل. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، ونظرًا للعدد الهائل من الحيوانات السامة في العالم، فإنها تُعد السبب الرئيسي للوفيات المرتبطة بالحيوانات (حوالي 57,000 حالة وفاة في عام 2013) مقارنةً بالحيوانات غير السامة (حوالي 22,000 حالة وفاة). ^{[ 3 ]} فعلى سبيل المثال، تُشير التقديرات إلى أن شخصًا ما يتعرض للدغة ثعبان كل 10 ثوانٍ على مستوى العالم. تُسبب الثعابين أكثر من 5.4 مليون إصابة نتيجة لدغاتها، مما يؤدي إلى 1.8 إلى 2.7 مليون حالة تسمم، ونحو 81,410 إلى 137,880 حالة وفاة سنويًا. ^{[ 4 ]} قد تُسبب لدغات الثعابين السامة حالات طوارئ طبية حادة، تشمل شللًا شديدًا قد يُعيق التنفس، واضطرابات نزفية قد تُؤدي إلى نزيف قاتل، وفشلًا كلويًا لا رجعة فيه، وتلفًا شديدًا في الأنسجة الموضعية قد يُسبب إعاقة دائمة وبترًا للأطراف. قد يُعاني الأطفال من آثار أكثر حدة، وقد تظهر عليهم الأعراض بشكل أسرع من البالغين نظرًا لصغر حجم أجسامهم. ^{[ 5 ]} باستخدام الطرق المُستخلصة من السموم، يُمكن تحويل السم إلى مواد مفيدة، مثل الأدوية الجديدة والمبيدات الحشرية الفعالة. ^{[ 6 ] [ 7 ]} على سبيل المثال، يُعد كل من كابتوبريل® (إينالابريل)، وإنتغريلين® (إبتيفيباتيد)، وأغراستات® (تيروفيبان) أدوية مُستخلصة من سموم الثعابين ، وقد تمت الموافقة عليها من قِبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. إضافة إلى هذه الأدوية المعتمدة، تشارك العديد من مكونات سم الأفاعي الأخرى الآن في تجارب ما قبل السريرية أو السريرية لمجموعة متنوعة من التطبيقات العلاجية. ^{[ 1 ]}

يتكون السم من مكونات بروتينية متعددة، يختلف كل مكون منها في تعقيده البنيوي. قد يكون السم مزيجًا من ببتيدات بسيطة، وبروتينات ذات بنية ثانوية (حلزونات ألفا وصفائح بيتا)، وبروتينات ذات بنية ثالثية (بنى بلورية). ^{[ 8 ]} علاوة على ذلك، قد توجد اختلافات جوهرية في الاستراتيجيات التي يستخدمها الكائن الحي في مكونات سمه، ويكمن الاختلاف الأكبر بين اللافقاريات والفقاريات. على سبيل المثال، يتكون معظم سم عنكبوت الشبكة القمعية من ببتيدات يتراوح وزنها الجزيئي بين 3 و5 كيلو دالتون (75%)، بينما يتراوح وزن الببتيدات المتبقية بين 6.5 و8.5 كيلو دالتون. ^{[ 9 ]} في المقابل، يتكون سم الأفعى من بروتينات أكثر تعقيدًا، مثل بروتينات اللعاب المعدلة (بروتينات كريسب والكاليكرين)، وعائلات بروتينية تم استقطاب جيناتها من مجموعات أنسجة أخرى ( أستيل كولين إستراز ، كروتاسين، ديفينسين، وسيستاتين). ^{[ 10 ]} نظرًا لهذا التنوع الهائل في مكونات السم، برزت الحاجة إلى مجال جديد لتحديد وتصنيف ملايين الجزيئات النشطة بيولوجيًا الموجودة في السم. ^{[ 2 ]} ولذلك، ومن خلال الجمع بين مناهج مجالات متعددة مثل علم الجينوم ، وعلم النسخ ، وعلم البروتينات، والمعلوماتية الحيوية ، ظهر مجال جديد يحمل اسمًا مناسبًا هو علم السموم (فينوميكس).

تأسس علم السموم (Vennomics) في النصف الثاني من القرن العشرين مع ازدياد شعبية تقنيات علم الجينوم المختلفة. ومع ذلك، لطالما اعتمد تطور علم السموم منذ نشأته على التقدم التكنولوجي، وكان محدودًا به. وقد أشار خوان كالفيت إلى ذلك بوضوح عند تفصيله لتاريخ علم السموم. ^{[ 11 ]} حيث صرّح بأن " الثورات الأخيرة التي شهدها بحث علم السموم في العقد الماضي (1989-1999) هي نتيجة مباشرة للتقدم المحرز في الأساليب التي تركز على علم البروتينات، ونتيجة غير مباشرة لتوافر أشكال أكثر انتشارًا وأقل تكلفة من علم النسخ وتحليل المعلوماتية الحيوية " . وكان من أوائل المواضيع البحثية الشائعة في علم السموم الخصائص الدوائية للسموم الببتيدية الموجودة في سموم الأفاعي (وتحديدًا، الأفاعي السامة من فصيلتي Elapidae و Hydrophidae ) نظرًا لخصائصها العصبية السامة وقدرتها على التسبب في فشل تنفسي لدى الحيوانات. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، ونظرًا لنقص التكنولوجيا الكفؤة، والتقنيات الأقل تعقيدًا (مثل غسيل الكلى لفصل السم)، متبوعة بتحليل الكروماتوغرافيا والرحلان الكهربائي البسيط ، فقد كان البحث محدودًا.

انتشرت دلائل الاهتمام المبكر بسموم الأفاعي خلال أوائل القرن العشرين، وكان من أوائل الإنجازات الكبيرة في هذا المجال ما حدث في منتصف الستينيات. فعلى سبيل المثال، كان هالبرت رودونات من أوائل الباحثين الذين قاموا بفصل سم الكوبرا ( Naja nivea ) باستخدام تقنيات متطورة للغسيل الكلوي والكروماتوغرافيا الورقية . ^{[ 14 ]} علاوة على ذلك، تمكن إيفرت كارلسون وديفيد إيكر من تنقية السموم العصبية المحددة الموجودة في سم الكوبرا ( Naja nigricollis ) بنجاح، ووجدا أن هذه الببتيدات المعزولة لها وزن جزيئي ثابت يبلغ حوالي 7000. ^{[ 15 ]}

ستؤدي الأبحاث المستقبلية في هذا المجال في نهاية المطاف إلى نماذج تنبؤية غير مباشرة، ومن ثم إلى هياكل بلورية مباشرة للعديد من العائلات الفائقة المهمة للبروتينات. ^{[ 16 ] [ 13 ]} على سبيل المثال، كانت باربرا لو من أوائل من نشروا بنية ثلاثية الأبعاد لبروتين الأصابع الثلاثة (TFP)، إيرابوتوكسين-ب. ^{[ 17 ]} تُعد بروتينات الأصابع الثلاثة مثالًا على سموم ألفا العصبية ، وهي صغيرة الحجم (يتراوح طولها بين 60 و80 حمضًا أمينيًا تقريبًا) ومكون رئيسي في العديد من سموم الأفاعي (تمثل ما يصل إلى 70% إلى 95% من جميع السموم). ^{[ 18 ] [ 19 ]}

بالنظر إلى الماضي، حقق علم السموم تقدماً كبيراً في تسلسل وإنشاء نماذج دقيقة للجزيئات السامة باستخدام الأساليب المتقدمة الحالية. وبفضل هذه الأساليب، تم تصنيف السموم عالمياً، حيث تم توثيق السموم التي دُرست سابقاً وإتاحتها على نطاق واسع. ومن الأمثلة على ذلك "مشروع شرح سموم الحيوانات" (المقدم من UniProtKB/Swiss-Prot)، وهو قاعدة بيانات تهدف إلى توفير مصدر عالي الجودة ومتاح مجاناً لتسلسلات البروتينات، والهياكل ثلاثية الأبعاد، والمعلومات الوظيفية لآلاف سموم الحيوانات. حتى الآن، صنفوا أكثر من 6500 سم (سموم ومبيدات حشرية) على مستوى البروتين، حيث راجعت منظمة UniProt أكثر من 500000 بروتين وقدمت بروتيومات 100000 كائن حي. مع ذلك، حتى مع التكنولوجيا الحالية، يتطلب تحليل وتصنيف المكونات الفردية لسم الحيوان وقتًا وموارد كبيرة نظرًا للعدد الهائل من الجزيئات الموجودة في عينة السم الواحدة. ويزداد الأمر تعقيدًا عند وجود بعض الحيوانات (مثل قواقع المخروط) التي تستطيع تغيير تركيب سمها وتعقيده تبعًا لظروف التسمم (سواء كانت هجومية أو دفاعية). ^{[ 20 ]} علاوة على ذلك، توجد اختلافات بين ذكور وإناث النوع الواحد، حيث يختلف سمها في الكمية والسمية. ^{[ 21 ]}

البروفيسور خوان ج. كالفيت باحث غزير الإنتاج في علم السموم في المعهد الطبي الحيوي في فالنسيا، وقد شرح على نطاق واسع العملية التي ينطوي عليها فك تشابك السموم وتحليلها (مرة في عام 2007 ومؤخراً في عام 2017. ^{[ 23 ] [ 22 ]}

وتشمل هذه الخطوات ما يلي:

(1) جمع السم، (2) الفصل والقياس الكمي، (3) تحديد المكونات الموجودة و (4) تمثيل المكونات الموجودة.

(3) أساليب التحديد

تُستخدم طريقتان رئيسيتان في علم البروتينات لتحديد بنية الببتيدات/البروتينات، وهما: البروتينات من الأعلى إلى الأسفل ( TDP ) والبروتينات من الأسفل إلى الأعلى ( BUP ). تعتمد طريقة TDP على أخذ عينات مجزأة من السم وتحليل الببتيدات/البروتينات باستخدام كروماتوغرافيا السائل مع مطياف الكتلة الترادفي ( LC-MS/MS ). ينتج عن ذلك تحديد وتوصيف جميع الببتيدات/البروتينات الموجودة في العينة الأصلية. أما طريقة BUP، فتعتمد على تجزئة الببتيدات/البروتينات وتفكيكها قبل تحليلها (LC-MS/MS) باستخدام الاختزال الكيميائي، والألكلة، والهضم الأنزيمي (عادةً باستخدام التربسين ). تُستخدم طريقة BUP بشكل أكثر شيوعًا من طريقة TDP، لأن تفكيك العينات يسمح للمكونات بالوصول إلى نطاق الكتلة الأمثل لتحليل LC-MS/MS. ^{[ 26 ] [ 2 ]} ومع ذلك، توجد عيوب وقيود في كلتا الطريقتين. تُعدّ نتائج BUP عرضةً لمشاكل استنتاج البروتينات، إذ يمكن تحليل السموم الكبيرة إلى سموم أصغر تظهر في النتائج، لكنها لا توجد بشكل طبيعي في عينة السم. في حين أن TDP هي الطريقة الأحدث والقادرة على سدّ الثغرات التي تتركها BUP، إلا أنها تتطلب أجهزة ذات قدرة تحليلية عالية (عادةً 50,000 أو أعلى). في الواقع، تستخدم معظم الدراسات كلا الطريقتين بالتوازي للحصول على أدق النتائج. علاوة على ذلك، يمكن استخدام طرق النسخ/الجينوم لإنشاء مكتبات cDNA من جزيئات mRNA المستخلصة والمُعبَّر عنها في غدد السم لدى الحيوانات السامة. تُحسّن هذه الطرق عملية تحديد البروتينات من خلال إنتاج تسلسلات الحمض النووي لجميع البروتينات المُعبَّر عنها في غدد السم. تكمن إحدى المشكلات الكبيرة في استخدام تحليل النسخ/الجينوم في دراسات السموم في نقص تسلسلات الجينوم الكاملة للعديد من الحيوانات السامة. إلا أن هذه مشكلة عابرة نظراً لكثرة مشاريع تسلسل الجينوم الكامل للحيوانات السامة، مثل مشروع "جينوم الجهاز السام" (الذي انطلق عام ٢٠٠٣). ^{[ ٢٧ ]} ومن خلال هذه المشاريع، يمكن لمختلف مجالات الدراسة، كالدراسات البيئية/التطورية ودراسات علم السموم، أن توفر معلومات داعمة وتحليلاً منهجياً للسموم.

(4) تمثيل دقيق للمكونات

أجرت ريناتا رودريغز دراسةً قيّمةً تُفصّل كلاً من البروتينات والنسخ الجينية لأفعى رأس الرمح من نوع نيويد ( Bothropoides pauloensis )، باستخدام جميع الطرق المذكورة أعلاه. ^{[ 28 ]} أظهرت البروتينات وجود تسع عائلات بروتينية، حيث تنتمي غالبية المكونات إلى بروتينات الميتالوبروتياز الموجودة في سم الأفعى (38%)، والفوسفوليباز A2 (31%)، والببتيدات المعززة للبراديكينين/ الببتيدات المدرة للصوديوم من النوع C (12%). أما النسخ الجيني، فقد أظهر وجود أكثر من 1100 علامة تسلسل معبرة ( ESTs ) في الحمض النووي المكمل (cDNA)، منها 688 تسلسلاً فقط مرتبطة بغدة السم. وبالمثل، أظهر النسخ الجيني نتائج متطابقة، حيث شكّلت بروتينات الميتالوبروتياز الموجودة في سم الأفعى (SVMPs) غالبية علامات التسلسل المعبرة، تليها الفوسفوليباز A2 (26%)، ثم الببتيدات المعززة للبراديكينين/الببتيدات المدرة للصوديوم من النوع C (17%). علاوة على ذلك، تُظهر هذه الدراسة أنه من خلال استخدام علم البروتينات وعلم النسخ الجيني، يُمكننا فهم مكونات السم فهمًا كاملًا. وهذا بدوره يُتيح لنا فهم البنية الجزيئية ووظائف العديد من المكونات النشطة بيولوجيًا، مما يُسهم في استكشاف مكونات السم بيولوجيًا لتطوير أدوية جديدة، ويُساعد في تطوير طرق أفضل لإنتاج مضادات السموم.

شهد مجال علم السموم تطورًا هائلًا منذ نشأته في القرن العشرين، ولا يزال يتطور باستمرار بفضل الأساليب الحديثة كتقنيات التسلسل الجيني من الجيل التالي وطيف الرنين المغناطيسي النووي . وبناءً على هذا التوجه، يبدو أن علم السموم سيشهد تعزيزًا تدريجيًا لقدراته من خلال التطورات التكنولوجية المتواصلة في القرن الحادي والعشرين. وكما ذُكر سابقًا، يتمثل أحد المسارات المحتملة التي يمكن لعلم السموم توسيع نطاقها في دمج جزيئات السموم في أدوية متخصصة. وكان أول مثال على ذلك في أوائل سبعينيات القرن الماضي، عندما اكتُشف أن دواء كابتوبريل مثبط لإنزيمات تحويل الأنجيوتنسين ( ACE ) ويُستخدم لعلاج ارتفاع ضغط الدم لدى البشر. ^{[ 29 ]} ويناقش غلين كينغ الوضع الحالي للأدوية المشتقة من السموم، حيث حصل ستة أدوية منها على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، بينما يخضع عشرة أدوية أخرى حاليًا للتجارب السريرية. ^{[ 30 ]} يقدم مايكل بنينجتون تحديثًا مفصلاً عن الوضع الحالي للأدوية المشتقة من السموم والمستقبل المحتمل لهذا المجال (الجدول 1). ^{[ 6 ]}

تُعدّ مضادات السموم فرعًا آخر من فروع الطب، يحتاج إلى تطوير نظرًا للمشاكل التي تواجهها العديد من الدول النامية مع الحيوانات السامة. ففي مناطق مثل جنوب وجنوب شرق آسيا وأفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، تُسجّل العديد من حالات الإصابة (بتر الأطراف) والوفاة. ^{[ 31 ]} تُعتبر الثعابين (وخاصةً الأفاعي السامة من فصيلتي Elapidae و Viperidae ) السبب الرئيسي للتسمم، وتُعاني مضادات السموم من نقص مستمر في المناطق عالية الخطورة بسبب أساليب الإنتاج الشاقة (استخدام الحيوانات المُحصّنة) وشروط التخزين الصارمة (التخزين في درجة حرارة أقل من صفر ^مئوية ). وتستمر هذه المشكلة، حيث يكون تأثير الدواء نفسه محدودًا على الأنسجة الموضعية، ويُسبب حتمًا ردود فعل حادة (تأقية أو حموية) أو متأخرة (مثل داء المصل) لدى معظم المرضى. ^{[ 32 ]} مع ذلك، وباستخدام تقنيات "الأوميكس" المختلفة، يُمكن لعلم "مضادات السموم" أن يُتيح طرقًا أكثر أمانًا وفعالية من حيث التكلفة وأقل استهلاكًا للوقت لإنتاج مضادات السموم لمجموعة واسعة من الكائنات السامة. ويجري حاليًا البحث في طرق جديدة لمضادات السموم باستخدام الأجسام المضادة وحيدة النسيلة ( mAbs ) وتوسيع قواعد بيانات السموم، مما يسمح باتباع مناهج أكثر فعالية عند فحص التفاعل المتبادل لمضادات السموم. ^{[ 33 ] [ 34 ]} أخيرًا، يُمكن تحسين الزراعة من خلال تقنيات علم السموم المُحسّنة عبر ابتكار مبيدات حيوية خاصة بالحشرات مُستخلصة من السموم. تُعد الحشرات آفة زراعية/بستانية، كما أنها ناقلة للعديد من الطفيليات والأمراض. ^{[ 35 ]} لذا، فإن المبيدات الحشرية الفعالة ضرورية دائمًا للسيطرة على الآثار المدمرة للعديد من أنواع الحشرات. مع ذلك، فإن العديد من المبيدات الحشرية التي استُخدمت في الماضي لا تفي باللوائح الحالية، وقد حُظرت بسبب آثارها الضارة، مثل تأثيرها على الأنواع غير المستهدفة (مثل مادة DDT ) وسميتها العالية تجاه الثدييات ( مثل النيونيكوتينويدات ). ^{[ 36 ]} تقترح مونيك ويندلي أن سم العناكب يُعد حلاً محتملاً لهذه المشكلة، نظراً لوفرة المركبات العصبية السامة الموجودة فيه (يُتوقع وجود 10 ملايين ببتيد نشط بيولوجياً)، ولأن سمها مُتخصص في استهداف الحشرات. ^{[ 7 ]}

الجدول 1. الأدوية المشتقة من السموم التي ناقشها بينينجتون، تشيرفينسكي وآخرون، (2017). ^{[ 6 ]}