A ChromAgeNet feltárta a kromatin, a sejtmagban lévő DNS térbeli szerkezetét, így megkülönböztethetők a fiatal és idős vérképző őssejtek. Az eredmény új utakat nyit a sejtek fiatalításának kutatásában.
Az öregedés fokozatosan aláássa a szervezet regenerációs képességét, és súlyosan érinti a vérsejtek termelődését. Ebben a versenyfutásban a biológiai órával kulcsfontosságú a vérképző őssejtekben bekövetkező változások elemzése, mert ez nyithat utat olyan beavatkozások előtt, amelyek lassíthatják hanyatlásukat és helyreállíthatják eredeti működésüket.
HIRDETÉS
HIRDETÉS
A barcelonai tudóscsoport kifejlesztette a ChromAgeNetet, egy mesterséges intelligencián alapuló eszközt, amely a vérképző őssejtek öregedését DNS-ük háromdimenziós szerkezetének elemzésével mutatja ki.
Az „Aging Cell” folyóiratban megjelent tanulmány, amelyet Maria Carolina Florian (IDIBELL) és Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal) vezet, azt mutatja, hogy a kromatin szerveződése olyan információt hordoz, amely alapján meg lehet különböztetni az fiatal és idős egerekből származó sejteket.
Híd a biomedicina és a szuperszámítástechnika között
A modell betanításához a kutatók konvolúciós neurális hálókat alkalmaztak egér vérképző őssejtek magjának 3D-képein. A ChromAgeNet neurális hálózatokat használ a DNS öregedésének megfejtésére. A mesterséges intelligencia lehetővé teszi az olyan finom szerkezeti eltérések felismerését, amelyek az emberi szem számára láthatatlanok.
Az egyik fő aggodalom a neurális hálózatok biomedicinában való alkalmazásával kapcsolatban az, hogy nem tudni, mire támaszkodnak döntéshozatalkor. A ChromAgeNet ezt a korlátot azzal dönti le, hogy magyarázható MI-t (XAI) kínál.
Az eszköz átlagosan a sejtek mintegy 68 százalékát sorolta be helyesen fiatal vagy idős egerekből származónak, a DAPI-val – egy szabványos és alacsony költségű festéssel – készült felvételek alapján.
Emellett a ChromAgeNet azzal tűnik ki, hogy magyarázható MI, ami lehetővé teszi annak vizsgálatát, milyen képi jellemzők járulnak hozzá az előrejelzéseihez. Az elemzések többek között a mag peremén mutattak ki olyan változásokat, amelyek az öregedéssel hozhatók összefüggésbe.
Az elemzések szerint a kromatin a fiatal sejtek magjának szélén tömören és rendezett módon helyezkedik el, míg az idős sejtekben széttagoltabb és szétszórtabb. A koncepció igazolására az eszköz azt vizsgálja, hogy bizonyos epigenetikai gyógyszerek miként idéznek elő a kromatin szerveződésében olyan változásokat, amelyek közelebb állnak a fiatal sejtekben megfigyelt mintázatokhoz. Ez rámutat az eszköz potenciáljára a kezelések szűrésében, amelyek képesek regenerálni a vérképző szövetet és erősíteni az immunrendszert. A kód és a képadatbázis már elérhető a nemzetközi tudományos közösség számára.
Együttműködés MI-kutatócsoportokkal
A kutatás lehetséges gyakorlati alkalmazásairól Maria Carolina Florian, az Institut d’Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL) vezető kutatója az Euronewsnak elmondta: „Jelenleg egy olyan eszközt fejlesztettünk ki, amely koncepcióbizonyítékként működik egér hematopoietikus őssejteken. Most azon dolgozunk, hogy tovább optimalizáljuk és emberi őssejtekhez igazítsuk, abban a reményben, hogy új gyógyszerek értékelésére használhatjuk, amelyek a sejtmag architektúrájára hatnak, és felhasználhatók az idős őssejtek fiatalítására.”
Maria Carolina Florian az Euronewsnak arról is beszélt, hogy ez a munka „ideális terepet talált ahhoz, hogy valódi eszközzé váljon Paula Petrone (BSC és ISGlobal) tapasztalatának köszönhetően. Az a tervünk, hogy továbbfejlesszük, és kiterjesszük emberi őssejteken való használatra. Emellett további finanszírozást igyekszünk szerezni az EU-tól, és kapcsolatot keresünk más európai kutatókkal, akiket érdekel munkánk gyakorlati alkalmazása.”
Paula Petrone szerint ez a kutatás „bizonyítja, hogy egy mélytanuló algoritmus meg tudja különböztetni a fiatal és idős őssejteket a sejtmagokról készült, egy DAPI nevű, olcsó festéssel nyert képek elemzése révén.”
3D-térképek és nyílt forráskód a sejtek architektúrájának fiatalítására
A sejtmag belső térképe jellegzetes mintázatot tár fel: fiatal korban a kromatin tömören a mag peremén koncentrálódik, az évek múlásával azonban ez az architektúra szétesik. E mintázatok azonosítása segíthet a vérképző őssejtek állapotromlásának vizsgálatában, valamint olyan lehetséges stratégiák értékelésében, amelyek képesek regenerálni a hematopoietikus szövetet és átalakulást idéznek elő a szervezetben.
Az algoritmus gyakorlati potenciáljának bemutatására a csapat egy koncepcióbizonyító kísérletet tervezett: az eszközt különböző epigenetikai gyógyszereknek kitett, idős sejtekre alkalmazták. A cél az volt, hogy kiderüljön, képesek-e ezek a molekulák a kromatin szerveződésében olyan változásokat előidézni, amelyek egy fiatalabb állapottal összeegyeztethetők.
Az új felfedezések felgyorsítása érdekében a csapat nyilvánossá tette az eszköz kódját, valamint egy 3D őssejtképeket tartalmazó nyilvános adatbázist, abban a reményben, hogy olyan gyógyszereket találjanak, amelyek erősítik az immunrendszert és javítják az életminőséget idős korban.
Számos nemzetközi tanulmány támasztja alá az immunrendszer alapvető szerepét a szervezet öregedésében, ahogyan azt Maria Carolina Florian is hangsúlyozza: „Laboratóriumunkban hozzájárultunk ahhoz, hogy bemutassuk az idős hematopoietikus őssejtek stimulálásának és fiatalításának lehetőségét, amellyel nemcsak az immunrendszer működése, hanem az élettartam és a szervezet egészének egészségi állapota is javítható.”
Hosszú távú ígéret, óvatosság a jelenben: a ChromAgeNet mögötti tudomány óvatosságra int
Az új ChromAgeNet eszköz segít megérteni a hematopoietikus őssejtek öregedésében érintett alapvető molekuláris mechanizmusokat, amelyek terápiás célpontként szolgálhatnak fiatalításukhoz. „Reméljük, hogy bővíthetjük ismereteinket, megerősíthetjük eredményeinket, és új eszközöket, illetve gyógyszereket azonosíthatunk az idős hematopoietikus őssejtek működésének javítására” – foglalja össze Florian.
„A jövőben ezt a technikát új, fiatalító potenciállal rendelkező gyógyszerek szűrésére lehetne használni. Így, ha idős sejteket különböző jelölt vegyületekkel kezelünk, a mesterséges intelligencia a képek elemzése révén azonosíthatná azokat, amelyek olyan változásokat idéznek elő, amelyek egy fiatalabb állapottal összeegyeztethetők” – mondja az Euronewsnak Paula Petrone.
Petrone számára „nem önmagában a várható élettartam meghosszabbítása, hanem a várható egészséges élettartam növelése a fontos. Az új, fiatalító potenciállal rendelkező gyógyszerek felfedezése például hozzájárulhatna az immunrendszer öregedésének javításához, és így az egészségesebb öregedéshez.”
A kutató ugyanakkor az Euronewsnak a szükséges óvatosságra is felhívja a figyelmet: „Nagyon óvatosnak kell lennünk, hogy ne becsüljük túl eredményeinket. Az ilyen új technológiák fejlesztése, validálása és végső klinikai alkalmazása évekig tart. Kutatásunk csupán egy apró szemernyit tesz hozzá az öregedésünk tanulmányozásához, illetve olyan stratégiák kereséséhez, amelyek elősegíthetik az egészséges öregedést.”