חוקרים בסטנפורד, ברזיל מפתחים מודלים לניבוי סיכון לסכיסטוזומיאזיס בתוך שינויי אקלים

בברזיל, אקלים ושינויים סביבתיים אחרים שנעשו על ידי אדם מאיימים על מאמצים של עשרות שנים להילחם במחלה טפילית נפוצה ומחלישה. כעת, שותפות בין חוקרים מסטנפורד וברזיל עוזרת לחזות את ההשפעות הללו באופן יזום.

Schistosomiasis, המופצת על ידי חלזונות מים מתוקים, משפיעה על יותר מ-200 מיליון אנשים באזורים טרופיים רבים בעולם. זה יכול לגרום לכאבי בטן ולהשלכות בלתי הפיכות כמו כבד מוגדל וסרטן. גורמי בריאות הציבור חוששים שכריתת יערות, התפשטות עירונית מהירה ודפוסי גשמים משתנים – כמו שיטפונות מאי ההרסניים של ברזיל – עלולים לשנות באופן דרמטי את המקומות שבהם החלזונות, ולכן הטפיל, יכולים לשגשג.

"עם שינויי האקלים, גשמים תכופים ואינטנסיביים יותר ישפיעו על מחלות רבות כאן, כולל סקיסטוזומיאזיס", אמרה רוזלי טואן, חוקרת בכירה במזכירות הבריאות של סאו פאולו, שם ערכה מעקב ומחקר של סקיסטוזומיאזיס במדינת סאו פאולו, ברזיל, כבר יותר מ-30 שנה. "הבנת השינויים הללו היא תחום מדעי הכרחי לשליטה במחלה בעתיד".

טואן ועמיתיה הברזילאים שיתפו פעולה עם חוקרי אקולוגיה של מחלת סטנפורד כדי לפתח מודלים שיכולים לחזות כיצד הסיכון למחלה ישתנה בתגובה לשינויים סביבתיים. הממצאים שלהם פורסמו לאחרונה ב תקשורת טבע ו PLOS בריאות הציבור העולמית.

בפעם הראשונה, הצלחנו לשלב כלים כמו תיעוד מעקב חלזונות לטווח ארוך עם תמונות לוויין שעוקבות אחר התרחבות חקלאית, צמיחת אזורים עירוניים ואקלים ברזולוציה עדינה על פני מדינות שלמות. בעזרת הכלים הללו, אנו יכולים למפות כיצד בית הגידול של חלזונות המעבירים סכיסטוזומיה משתנה ברחבי ברזיל בדיוק חסר תקדים שעוזר לנו להבין היכן עשויה להופיע סכיסטוזומיאזיס".

ארין מרדכי, פרופסור חבר לביולוגיה בבית הספר למדעי הרוח והמדעים ועמיתת פקולטה לבריאות עולמית במרכז סטנפורד לחדשנות בבריאות עולמית

מרדכי היה שותף לפיקוח על העבודה עם ג'וליו דלאו, שהוא גם עמית בפקולטה לבריאות עולמית ופרופסור לאוקיינוסים ולמדעי מערכות כדור הארץ בבית הספר לקיימות בסטנפורד דורר.

שיתוף הפעולה סייע לאפידמיולוגים וחוקרים לעדכן את הפרדיגמות שלהם לגבי סקיסטוזומיאזיס בברזיל ולתעדף התערבויות בבריאות הציבור בהתחשב בשינויים סביבתיים, אמר טואן, שחקר את הגנטיקה והאבולוציה של וקטור החילזון לסכיסטוזומיאזיס במשך ארבעה עשורים.

בעוד שלברזיל יש הזדמנות לחסל את הסכיסטוזומיה בחלקים מסוימים של המדינה הודות לשיפור התברואה ותנאי החיים, שינויי האקלים והפערים הכלכליים מאיימים על ההתקדמות באזורים אחרים, אמרה.

"ניתוחים אלה זיהו בבירור, לראשונה, התנחלויות בלתי פורמליות צומחות במהירות הן באזורים כפריים או בפאתי מרכזים עירוניים כבית הגידול הסביר ביותר עבור החלזונות, כמו גם מוקדי העברה פוטנציאליים לסכיסטוזומיאזיס", אמר דה ליאו, אשר הוא גם החוקר הראשי של הצוות הבינלאומי הנתמך על ידי המענק של Belmont Collaborative Forum. "הם פותחים הזדמנויות חדשות למעקב אחר מחלות והתערבויות שיכולות להפחית את הסיכון להעברת סקיסטוזומיאזיס".

רתימת למידת מכונה כדי לחזות סיכון עתידי למחלות

בשנת 2021, מענק בלמונט Forum/São Paulo Research Foundation ו-Stanford Global Health Seed Grant אפשרו למומחים לאקולוגיה של מחלות מסטנפורד וברזיל לבנות בשיתוף פעולה כלים לחזות את ההשפעות של שינויים סביבתיים על החלזונות המתפשטים במחלות.

בלב המאמץ הזה נמצא כלי שנקרא מודל תפוצת מינים. הוא משלב למידת מכונה ונתונים בעלי חישה מרחוק – כמו צילומי לוויין ומודלים אקלים בקנה מידה גדול – כדי לזהות את כל המקומות שבהם מין יכול לחיות, על סמך היכן שהוא נמצא ולא נמצא בעבר. לאחר מכן, המודלים יכולים לחזות כיצד שינויים בטמפרטורה, בגשמים ובעיור ישפיעו על התפלגות המינים בעתיד.

ובכל זאת, כשאלי סינגלטון, סטודנטית לדוקטורט בתוכנית הבינתחומית של אמט לאיכות סביבה ומשאבים של סטנפורד, יצאה לבנות מודל כזה לחלזונות, היא מצאה מעט מידע שיעזור לה להחליט איזו מתודולוגיה תהיה הטובה ביותר.

"למרות שמודלים של הפצת מינים הופכים לכלים פופולריים יותר ויותר, יש עדיין הרבה שאלות פתוחות לגבי הדרך הטובה ביותר לבנות את המודלים", אמר סינגלטון. "רציתי ליצור משאב שיוכל ליידע את המאמצים של הצוות שלנו וגם להיות שימושי לחוקרים המשתמשים בשיטות הללו ברחבי העולם".

המחקר של סינגלטון השווה מודלים המשתמשים בשיטות למידת מכונה שונות כדי לראות אילו יכול לחזות בצורה המדויקת ביותר כיצד מיני חלזונות הגיבו לשינויים בסביבתם. היא השתמשה במערכי נתונים עצומים עם יותר מ-11,000 תיעודים של מיקום חלזונות שנאספו על ידי מדענים ברזילאים מ-1992 עד 2019. סינגלטון בחנה באיזו מידה חזו המודלים היכן עשויות להיות חלזונות שינויים שונים באקלים, הידרולוגיה, שימוש בקרקע וסוג הקרקע. היא התייעצה עם מומחים מקומיים, כמו רוזלי טואן, אנטוניו מיגל ויירה מונטיירו מהמכון הלאומי לחקר החלל של ברזיל בסאו פאולו, ברזיל, ורוברטה לימה קלדיירה מפיוקרוז מינאס במינאס ג'ראיס, ברזיל, שהשתמשו בניסיונם ממקור ראשון כדי לשפוט את הדיוק של המפות המתקבלות.

סינגלטון אמר שרבים מהדגמים פעלו באופן דומה מבחינת דיוק ודיוק, אך הם הפיקו מפות שונות מאוד של תפוצת החלזונות. "זה היה קריטי לחלוטין לקבל את הידע המומחה של אנשים שמכירים היטב את התחום ועומדים בתחום זה שנים רבות כדי שיוכלו להגיב על איזה דגם לדעתם עדיף ומדוע", אמרה.

חלק מהמודלים סיפקו הערכות רחבות הרבה יותר לגבי האזורים הטובים לחלזונות, בעוד שאחרים היו הרבה יותר מחמירים וצרים בתחזיותיהם היכן החילזון עשוי להיות. שני סוגי הדגמים יכולים להיות שימושיים בנסיבות שונות, אמר סינגלטון. לדוגמה, באזור עם משאבים מוגבלים יותר לטיפול בסכיסטוזומיאזיס, המודל המחמיר יותר יכול לעזור לזהות אזורים לתעדוף – אותם אזורים שבהם היה כמעט בטוח שיימצא החילזון. מצד שני, אם מדינה רוצה לחסל את הסכיסטוזומיאזיס, גורמים רשמיים עשויים לבחור להשתמש במודל הרחב יותר שחזה את כל בתי הגידול האפשריים של חלזונות.

מעקב אחר 'מטרה נעה'

השלב הבא היה יישום הממצאים של Singleton לגבי מיפוי תפוצה יעיל של מינים כדי להבין טוב יותר כיצד שינוי האקלים ושימושי הקרקע השפיעו על תפוצת החלזונות בברזיל.

עמיתה של סינגלטון, קרוליין גלידן, מדענית בכירה במעבדת מרדכי, הובילה את המחקר הזה כשהיא גם שותפה במכון סטנפורד לבינה מלאכותית במרכז האדם (Stanford HAI). היא מצאה ששינויים שנגרמו על ידי אקלים – במיוחד בדפוסי משקעים – הובילו שינויים נרחבים בטווח של החלזונות במהלך 30 השנים האחרונות. העיור, בינתיים, הניע שינויים מקומיים יותר, כמו הופעת כיסים חדשים של בית גידול המתאימים לחלזונות באזורים שחוו גידול משמעותי באוכלוסייה.

ככל שדפוסי הגשמים משתנים וברזיל עוברת שינוי מהיר בשימוש בקרקע, אזורים חדשים צפויים להיות נוחים לחלזונות, המשגשגים במקורות מים מתוקים הנעים לאט, אמר גלידן. אלה כוללים תעלות ניקוז ותעלות, כמו אלה הקשורות להשקיה בחוות בקנה מידה קטן.

"המגמה הכללית היא ששינויים סביבתיים לא רק מרחיבים את בית הגידול של חלזונות – הם משנים את המיקום לחלוטין, מה שהופך את הסכיסטוזומיה ליעד נע להתערבות ושליטה בבריאות הציבור", אמר גלידן. "ללא הניתוחים הללו, יהיה קשה מאוד לשאוף לחסל את הסכיסטוזומיאזיס בברזיל".

טואן אמר שהמחקר יעזור לפקידי בריאות הציבור לזהות אזורי חיסול מועדפים של סקיסטוזומיאזיס.

השפעה גלובלית

סינגלטון מקווה שהמאמצים שלהם לזהות שיטות מודלים יעילות להפצת מינים יסייעו לחוקרים מעבר לברזיל לחזות סיכוני מחלות הנגרמות על ידי וקטור ותיווך סביבתי.

"כלים אלה הולכים להיות בעלי ערך רב יותר ככל שאנו מבקשים להבין כיצד אוכלוסיות מינים עשויות להשתנות עם שינוי האקלים ושימושי הקרקע", אמרה. "אני מקווה שהמאמר הזה יכול לעזור למדענים חדשים בשיטות האלה ולהיות המשאב שחיפשתי בתחילת הפרויקט הזה."