(Bu yazı GENÇ İVEK SAĞLIK BİLİM VE TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ’nin 9. sayısında yayımlanmıştır.)
Yük. Müh. KÜBRA DOĞAN
Yıldız Teknik Üniversitesi
“Machine Learning” yani “Makine öğrenimi” son zamanlarda adını sıkça duyduğumuz terimler arasına girmiş durumda. Teknolojinin ilerlemesiyle gelişen makine, robot sektöründe çok önemli olan “Makine öğrenimi” sağlıktan, gıdaya birçok alanda kullanılmaktadır. Makine öğrenmesi esas olarak 1959 yılında bilgisayar biliminin yapay zekada sayısal öğrenme ve model tanıma çalışmalarından geliştirilmiş bir alt dalıdır. Makine öğrenmesi yapısal işlev olarak öğrenebilen ve veriler üzerinden tahmin yapabilen algoritmaların çalışma ve inşalarını araştıran bir sistemdir. Bu tür algoritmalar statik program talimatlarını harfiyen takip etmek yerine örnek girişlerden veri tabanlı tahminleri ve kararları gerçekleştirebilmek amacıyla bir model inşa ederek çalışırlar. Human Genomics dergisinde yayınlanan “Network machine learning maps phytochemically rich “Hyperfoods” to fight COVID-19” adlı araştırma makalesinde, makine öğrenme metodu ile gıdalardaki potansiyel biyoaktif anti-COVID-19 molekülleri tanımlanmış.
Şekil: SARS-CoV-2 insan interaktom ağlarını hedef alan en iyi 52 öngörülen antiviral molekülün hiyerarşik sınıflandırması
Makine öğrenimi modeli ile, %80 85’lik dengeli sınıflandırma doğruluğu ile COVID-19’a karşı etkili deneysel ve klinik olarak onaylanmış ilaçlar (toplamda 5658) arasında anti-COVID-19 adayları tahmin edebilerek kalibre edilmiş. Bunlar, simvastatin, atorvastatin ve metformin gibi kardiyovasküler ve metabolik bozukluklarla savaşmak için kullanılan yaygın ilaçlar da dahil olmak üzere COVID-19’a karşı potansiyel olarak “yeniden kullanılabilecek” en umut verici ilaç adayları belirlenmiş. 7694 biyoaktif gıda bazlı molekülden oluşan bir veri tabanı, SARS-CoV-2-konak interaktom ağlarını hedef aldığı tahmin edilen flavonoidler, terpenoidler, kumarinler ve indoller dahil olmak üzere çeşitli kimyasal sınıflardan 52 biyolojik olarak aktif molekülü tanımlayan kalibre edilmiş makine öğrenme algoritması aracılığıyla çalıştırılmış. Bu da, antiviral özelliklere sahip aday bileşiklerin çeşitliliğine ve göreli seviyelerine dayalı olarak tahmin edilen her bir bileşenin teorik anti-COVID-19 potansiyeline sahip bir “gıda haritası” oluşturmak için kullanılmış.
Şekil: SARS-CoV-2-konak interaktomunu hedeflemede öngörülen etkililik ile belirli gıdalardaki bileşiklerin içerdiği profiller ağlar.
Geleneksel antiviral ilaç geliştirme paradigması, bir ilacın bir viral proteini hedef aldığını varsayar. Bu bağlamda, spesifik SARS-CoV-2 protein hedefleri için bitki bazlı biyoaktif molekülleri keşfetmek için moleküler yerleştirme hesaplama simülasyonları kapsamlı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu yaklaşımın, karmaşık virüs-konak etkileşim ağlarının tek tek protein bozulmalarına karşı sağlamlığı da dahil olmak üzere birçok dezavantajı vardır. Aşıların ve ilaçların SARS-CoV-2’ye özgü gen veya protein hedeflerine karşı varsayılan etkileri, kaçan viral mutantlar tarafından da karmaşık hale gelebilir.
Bu çalışmada, SARS-CoV-2-insan interaktom ağlarını hedefleyen gıda bazlı biyoaktif molekülleri belirlemek için ağ tabanlı makine öğrenimi yöntemlerini, mobil süper hesaplamayı ve interaktomik verilerini birleştirilmiş. İlk olarak, anti-COVID-19 özelliklerine sahip deneysel olarak onaylanmış ilaçları tahmin etmek için önerilen makine öğrenimi iş akışlarını kalibre edilmiş, Kalibre edildikten sonra modeller, gıdalardaki ilaca benzer molekülleri keşfetmek için kullanılmış. Benzer ağ yayılımı yaklaşımları, kanser araştırmalarında ilacın yeniden kullanım amacı, mutasyona dayalı popülasyon tabakalaşması ve ilacın yeniden amacına uygun hale getirilmesi ve gıda bazlı kanser karşıtı moleküler terapötikler için uygulanmıştır. Makine öğrenimi algoritması parametreleri, çapraz doğrulama ayarında COVID-19’a karşı deneysel olarak doğrulanmış ilaçları tahmin etmek için kalibre edimiştir.
COVID-19 salgının tüm dünyayı etkisi altına almasıyla, araştırmacılar bağışıklık sisteminin önemine dikkati çekerken, özellikle bağışıklığı güçlendiren fonksiyonel gıdalar, gıda biyoaktifleri, takviyeleri ve nutrasötikler, kaliteli uyku ile egzersizin immün sistemin güçlendirilmesi için en temel unsurlar arasında yer aldığını belirtiyor.
Etkili iyileştirici tedavilerin ve onaylanmış aşıların yokluğunda, yenilikçi çözümlere ve koruyucu önlemlere ihtiyaç duyulmaktadır ki bağışıklığı güçlendiren geleneksel tıbbi tedavileri, fonksiyonel beslenme ile birleştirmek bunlardan biridir. Ancak, çoğu çalışma, COVID-19 bulaşmasına karşı biyoaktiflerin potansiyeli hakkında çok az bilgi sunmaktadır.
Son 20 yılda, gıda ürünlerindeki (örn. vitaminler) insan sağlığını destekleyen aktif bileşenlerin tanımlanmasına, gıda-hastalık metabolizmasının anlaşılması üzerine odaklanmış bir çok çalışma yapılmıştır. Bu araştırmalara konu olan, “Fonksiyonel gıdalar” ve “süper gıdalar” terimleri, sağlık yararları olduğu iddia edilen gıdalar ve gıda ürünleridir. Bu eğilimi takip etmek için, olası antimikrobiyal fonksiyonlara, anti-inflamatuar aktivitelere ve potansiyel antiviral etkilere sahip sağlığı geliştirici ajanlar olarak çok sayıda gıda bileşeni ve aktif bileşik araştırılmıştır. Mekanik ve klinik verilerden iyi bilindiği gibi vitaminlerin yanısıra, biyoaktif peptitler, polisakaritler, biyoaktif lipidler ve doğal polifenoller vücudun virüslere karşı bağışıklık sistemi için önemlidir.
Örneğin narenciye, kivi ve brokoli gibi sebzeler, vücut dokularının onarımı ve bağışıklık fonksiyonu için gerekli olan yüksek miktarda C vitamini (askorbik asit) içerir. Aynı şekilde, C vitamini belirli koşullar altında alt solunum yollarının enfeksiyonunu kısıtlayabilir ve soğuk algınlığını önleyebilir. Tatlı patates, ıspanak ve havuç gibi sebzeler yüksek miktarda A vitamini içerir (β-karoten, retinol ve retinoik asit gibi yağda çözünen bileşiklerden oluşur). A vitamininin, hümoral bağışıklık süreçlerindeki düzenleyici rolleri ve hücresel bağışıklık tepkileri nedeniyle farmakolojik veya yüksek dozda (10 nM veya daha yüksek) uygulandığında bağışıklık fonksiyonunu desteklediği ve enfeksiyonlara karşı koruduğu bilinmektedir.
Bitkisel gıdalardan, ekstraktlarından ve gıda işleme yan ürünlerinden elde edilen polifenolik bileşiklerin iyi bilinen antioksidan aktiviteleri vardır. Polifenolik bileşikler flavonoidler, fenolik asit, polifenolik amidler, resveratrol ve diğer polifenollere bölünebilir. Bu bileşikler antioksidanlardır ve ayrıca antimikrobiyal ve antiviral aktivitelere sahiptirler. Son zamanlarda yapılan birkaç çalışma, farklı polifenollerin in vitro antiviral kapasitesini araştırmıştır. Vázquez-Calvo ve ark. 2017 yılında yaptıkları çalışmada, polifenollerin (örneğin epigallokateşin, epigallokateşin gallat, epikateşin, kateşin, siyanidin ve delphinidin) Dang, Zika ve Nil virüsleri üzerindeki etkisini araştırmışlardır. Bu RNA virüsleri sivrisinekler tarafından bulaşır ve sağlık için ciddi bir tehdit oluşturur. Bu çalışmanın sonuçları, yukarıda bahsedilen polifenollerin, RNA’nın konakçı hücrelere bağlanma ve giriş adımını etkilediğini, 1-10 uM aralığında doza bağımlı olduğunu ve böylece virüslerin enfektivitesini azalttığını göstermiştir.
İnsan beslenmesi, etkilerini artırmak için ilaçlarla etkileşime girerek veya kendileri “ilaç” olarak hareket ederek viral hastalıkların hem önlenmesinde hem de tedavisinde rol oynadığı gösterilen moleküller açısından zengindir. Alkaloidler, flavonoidler, kumarinler, terpenoidler ve indoller gibi çeşitli kimyasal sınıflardan karmaşık bir molekül profiline sahip bitki bazlı gıdalar özellikle önemlidir. Laboratuvar çalışmaları, bu diyet bileşiklerinin, işlevsel ve genetik olarak çeşitli virüslere karşı eylemlerini gerçekleştirdikleri çoklu etki mekanizmalarını ortaya çıkarmıştır. Ayrıca, kötü beslenme alışkanlıkları ve obezite, diyabet ve kardiyovasküler hastalık gibi diyete bağlı komorbiditelerin, dünya genelinde COVID-19’un olumsuz sonuçları olduğuna dair artan sayıda kanıt bulunmaktadır. Bunun olası bir açıklaması, zayıf bağırsak mikrobiyomu sağlığı ve savunmasız COVID-19 hastaları arasında bu tür vakaların yüksek mortalitesi ile ilişkili düzensiz bir sitokin fırtınasına yol açan önceden var olan proinflamatuar durumlar olabilmektedir.
Makina öğrenme yardımı ile fonksiyonel gıdaların ve biyoaktif etken maddelerin tanımlanması ve sonuç olarak fitokimyasal olarak zengin “Hipergıdalar”ın hastalıkları yenme özelliklerine sahip tasarımların geliştirilmesi, COVID-19 dahil olmak üzere birçok hastalığa karşı kişiye özel beslenmeye dayalı tedavi stratejileri geliştirmek için güvenli ve uygun maliyetli bir yöntem olabilir. Covid-19′ a karşı potansiyeli en yüksek fitokimyasallar, flavonoller ( Quercetin, kaempferol ve myricetin), flavonlar (Luteolin ve apigenin), flavanoller (Procyanidin B2), flavanonlar (naringin), izoflavonoidler (daidzein, genistein ve legumelin) ve stilbenler (trans-resveratrol) indoller (3-indol-karbinol) ve fenolik asitler (gallik asit, epigallokateşin) bulunuyor. Covid-19′ a karşı potansiyeli en yüksek hipergıdalar arasındaise yeşil çay, buğday filizi, tere, ahududu, yabanmersini, lahana, brokoli, elma, limon, soğan ve sarımsağı sayabiliriz. Unutulmaması gereken en önemli husus ise, ilaç-ilaç ve ilaç-gıda etkileşimleri değerlendirilip, sinerjik veya antagonistik etkilere yol açıp açmayacağı veya bu kombinasyonun ilaç metabolizmasının kendisini bozup bozmayacağıdır.
Bu çalışmada ortaya konan fitokimyasal açıdan zengin “Hipergıdalar” listesinin COVID-19’a karşı hassas bir beslenme müdahale stratejisinin tasarımında temel bir sütun görevi görebilir. Böylelikle, COVID-19 ve diğer viral hastalıklara karşı fonksiyonel beslenme müdahalelerinin gelecekteki klinik çalışmalarında önemli bir rol oynamasını bekliyoruz.
Referans
- Vázquez-Calvo, Á.; De Oya, N.J.; Martín-Acebes, M.A.; Garcia-Moruno, E.; Saiz, J.-C. Antiviral Properties of the Natural Polyphenols Delphinidin and Epigallocatechin Gallate against the Flaviviruses West Nile Virus, Zika Virus, and Dengue Virus. Front. Microbiol. 2017, 8, 1314.
- Gysi DM, Í Do V, Zitnik M, Ameli A, Gan X, Varol O, Ghiassian SD, Patten JJ, Davey R, Loscalzo J, Barabási AL. Network medicine framework for identifying drug repurposing opportunities for COVID-19. 2020.
- Gordon DE, et al. A SARS-CoV-2 protein interaction map reveals targets for drug repurposing. Nature. 2020;583(7816):459–68.
- Xian Y, et al. Bioactive natural compounds against human coronaviruses: a review and perspective. Acta Pharm Sin B. 2020;10(7):1163–74.
- Boozari M, Hosseinzadeh H. Natural products for COVID‐19 prevention and treatment regarding to previous coronavirus infections and novel studies. Phytotherapy Res. 2020. p. 1-13
- Laponogov, I., Gonzalez, G., Shepherd, M., Qureshi, A., Veselkov, D., Charkoftaki, G., … & Veselkov, K. (2021). Network machine learning maps phytochemically rich “Hyperfoods” to fight COVID-19. Human genomics, 15(1), 1-11.