מאת: ד"ר אשר פרדו, מחלקת מחקר של המוסד לבטיחות ולגיהות
תאריך:07/10/2018
מידע מעמיק על השפעות מקומיות של חומרים כימיים תחת חשיפה לכמויות גבוהות קיים, למעשה, רק עבור 3% מתוך למעלה מ- 100,000 חומרים הנמצאים בשימוש. לגבי חלק מהאחרים המידע חלקי, או בלתי מספק ולגבי רבים מהם המידע לא קיים. באותה מטבע, חסר גם מידע על השפעות מערכתיות וכרוניות של חומרים רבים מאד.
ניסויים בבעלי חיים מבוצעים בהיקף רחב ביותר לבחינת תכונות טוקסיקולוגיות של חומרים כימיים והשפעות מזיקות אפשריות בבני אדם. על פי רישומים, ההערכה היא שלמעלה ממאה מיליון בעלי חיים נלקחים כל שנה למטרות ניסוי ולדעת רבים מספר זה הוא בבחינת תת-הערכה. ניסויי חיות נחשבים עדיין כ"סטנדרד הזהב" לבחינת בטיחות השימוש בחומרים. אולם, האם תוצאות ניסויים אלה עקביות ביחוד כאשר הניסויים חוזרים, או יש כאן הקרבה מיותרת של חיות? בשנת 2016 רוכז בסיס המידע הגדול ביותר של נתונים טוקסיקולוגיים של חומרים שנבדקו והוא כלל 10,000 חומרים. המידע רוכז מתוך 800,000 מחקרים ומקורות בדיקה אחרים. בסיס מידע זה שימש לבחינת הדיוק והמהימנות של שחזור וחזרתיות תוצאות מניסויי חיות. ניסויים חוזרים נערכים לעתים על אותו סוג חיה ובאותו איבר. כך, לדוגמה, נמצא על פי המאגר ששני חומרים כימיים נוסו יותר מ- 90 פעמים על עיני ארנבת ו- 69 חומרים נוספים נוסו יותר מ- 45 פעמים כל אחד על חיות. מאגר הנתונים על ניסויים חוזרים במקומות ובזמנים שונים בעולם הראה שהממצאים החוזרים אינם עקביים במקרים רבים. הממצאים הראו שתכונות טוקסיות של חומר הוכחו רק ב- 70% מניסויים חוזרים. נתונים מסוג זה מעוררים את הצורך בהערכת רעילותם של חומרים באסטרטגיות חלופיות לניסויי חיות.
בשורה על אפשרות לשינוי במצב מגיעה מכיוון הבינה המלאכותית. טכנולוגיות חדשות המבוססות על בינה מלאכותית (Artificial Intelligence) ו"לימוד מכונה" (Machine learning) עשויות לצמצם בעתיד את הצורך בניסויי חיות לבדיקת רעילות והשפעות בריאותיות מזיקות של חומרים כימיים חדשים לצד חומרים שתכונותיהם והשפעותיהם ידועות. אנשי המדע המקדישים את עצמם ליעד זה שמו להם למטרה לפתח שיטות מהירות ומדוייקות יותר מניסויי חיות כדי לבחון את בטיחות השימוש בחומרים כימיים מסוכנים ואת פוטנציאל הנזק הבריאותי שהם עלולים לגרום. כחלק מהמאמץ פותחה שיטת מחשב לבדיקת כימיקלים שעשויה לבוא כתחליף לניסויים ביותר מ- 2 מיליון חיות בשנה ותביא בכך לחסכון של יותר ממיליארד דולר (אמריקאי). הבסיס שאיפשר את פיתוח השיטה הוא הרגולציה של האיחוד האירופי לגבי רישום, הערכה, הסמכת שימוש ומגבלות שימוש בחומרים כימיים (REACH) וחלה על חומרים שכמויות הייצור והשיווק שלהם בשנה גבוהות מ- 1 טון. על פי הרגולציה נדרש בסיס מידע על כל חומר וחומר המאושר לשימוש וצריכה ובסיס מידע זה כולל מידע רב ערך על תכונות פיסיקליות וכימיות של החומר ועל תכונות טוקסיקולוגיות. רגולציה זו היא כיום כלל עולמית ועל כן הצטברו, בעיקר בעשור האחרון, נתונים רבים על חומרים שונים. מאידך, רב מאד מספרם של החומרים החדשים שאינם כלולים ברגולציה עקב כמויות יצור קטנות מ- 1 טון בשנה, ובארה"ב, לדוגמה, מספרם בכל שנה גדול מ- 1000. על חומרים אלה לא חלה הדרישה של בניית בסיס מידע על תכונות והשפעות בריאותיות, אשר על כן, מידע זה חסר. בדיוק לכאן מכוון הצורך בפיתוח שיטות ממוחשבות שיעשו שימוש במידע על חומרים ידועים כדי לנבא תכונות והשפעות של חומרים חדשים. זאת, כאשר יש יסוד להניח שבין הידועים והחדשים קיים מכנה משותף בתכונות והשפעות בגלל מכנה משותף מבני או אחר.
עבודה גדולה בפיתוח שיטות אלטרנטיביות, המבוססות על בינה מלאכותית ו"לימוד מכונה" לניבוי תכונות רעילות של חומרים נעשתה ע"י צוות מהמרכז לשיטות חלופיות לניסויי חיות באוניברסיטת ג'ונס הופקינס בארה"ב. לשם כך פותח אלגוריתם חדש ובסיס נתונים המסיק על תכונות חומרים מתוך יחסי מבנה-פעילות. עשרה מיליון מבנים כימיים של חומרים רוכזו במאגר אחד ומופו באופן שחומרים בעלי מבנה ופעילות דומים ממוקמים על המפה במקום אחד בעוד שאחרים הרחוקים מהם במבנם ותכונותיהם מרוכזים על המפה במקום אחר. לדוגמה, חומרים בעלי מבנה מסויים הידועים כמגרי עיניים ועור רוכזו על המפה במקום אחד. אם ייבחן חומר חדש ומבנהו ותכונותיו הכימיות והפיסיקליות ידמו ויתאימו לחומר ידוע שגם השפעותיו המזיקות ידועות, ניתן יהיה למקם את החומר החדש על המפה יחד עם החומר הידוע ומכאן לנבא מה עלולות להיות השפעותיו המזיקות.
הצוות בחן את מהימנות היישום באמצעות השוואת הניבוי למצב המציאותי בחומרים שמאופיינים בתכונה טוקסיקולוגית ידועה אחת לפחות. בין הניבוי למציאות בפועל נמצאה התאמה של 89% מהמקרים בהשוואה ל- 70% התאמה שנמצאה בניסויי החיות.
יש צורך בשיפור הפיתוח הזה ובתיקוף האלגוריתם תוך שיתוף גופים בודקים אחרים, אבל הפוטנציאל הטמון באסטרטגיה ובשיטה הוא עצום. אומדן תיאורטי של המפתחים הראה שאילו היו משתמשים בשיטה עבור חומרים כימיים חדשים שנרשמו לשימוש וצריכה על פי רגולציה אחרי שנת 2013 היה אפשר למנוע ניסויים ב- 2.8 מיליון חיות. על אף שהחישוב תיאורטי, הוא מבטא את הערך הרב של הגישה עבור הערכות של בטיחות שימוש והשפעות בריאותיות לגבי חומרים במערכות שונות וביניהן מערכות רגולטוריות. הטכנולוגיה היא עוצמתית ורק בתחילתה. בעתיד ניתן יהיה לנבא תכונות בעייתיות של חומר עוד לפני ייצורו או לתכנן יצור חומר אלטרנטיבי בלתי רעיל.
מקור: