Výskumníci z Barcelony vyvinuli nástroj umelej inteligencie na skúmanie starnutia kmeňových buniek
Výskumný tím z Barcelony vyvinul nástroj umelej inteligencie s názvom ChromAgeNet, ktorý dokáže identifikovať príznaky starnutia kmeňových buniek v krvi na základe analýzy priestorového usporiadania DNA v bunkovom jadre. Objav otvára nové možnosti pri hľadaní liečebných postupov, ktoré by mohli starnúcim bunkám pomôcť získať späť aspoň časť stratených funkcií. Odborníci zároveň upozorňujú, že k uplatneniu technológie v každodennej medicíne zostáva ešte dlhá cesta.
Starnutie sa neprejavuje len na povrchu tela. Významné zmeny prebiehajú aj vo vnútri buniek, kde sa nachádza DNA nesúca pokyny potrebné na fungovanie organizmu. S pribúdajúcim vekom môžu kmeňové bunky v krvi postupne strácať schopnosť produkovať nové a zdravé krvné bunky, čo ovplyvňuje aj činnosť imunitného systému.
Analýza trojrozmernej štruktúry chromatínu
ChromAgeNet analyzuje trojrozmernú organizáciu chromatínu, teda štruktúry tvorenej DNA a proteínmi, ktoré ju v bunkovom jadre usporadúvajú. Na základe snímok bunkových jadier dokáže algoritmus rozlíšiť kmeňové bunky pochádzajúce z mladých myší od buniek starších myší.
Štúdia uverejnená v odbornom časopise Aging Cell a vedená Mariou Carolinou Florianovou z Inštitútu biomedicínskeho výskumu Bellvitge (IDIBELL) spolu s Paulou Petroneovou z Barcelona Supercomputing Center (BSC-CNS) a ISGlobal ukázala, že priestorové usporiadanie chromatínu obsahuje zreteľný znak, ktorý odlišuje mladé bunky od starnúcich. Výsledky by v budúcnosti mohli prispieť k identifikácii liekov schopných zlepšiť fungovanie starnúcich kmeňových buniek.
Model správne klasifikoval približne 68 percent buniek
Na trénovanie modelu hlbokého učenia použili výskumníci konvolučné neurónové siete na trojrozmerných snímkach jadier kmeňových buniek z myší. ChromAgeNet má zároveň vedcom umožniť presne pochopiť, na akých vizuálnych kritériách algoritmus zakladá svoje rozhodnutia. Model dokázal správne klasifikovať približne 68 percent buniek ako mladé alebo staré, pričom využil snímky získané pomocou DAPI, štandardnej a dostupnej metódy farbenia buniek.
Analýzy odhalili zásadný štrukturálny rozdiel: v mladých kmeňových bunkách je chromatín pevne zhutnený a ukotvený na okraji jadra, zatiaľ čo v starých bunkách sa táto štruktúra rozpadá a chromatín sa javí ako rozptýlený.
Testovanie epigenetických zlúčenín
Španielsky tím s cieľom preukázať praktickú užitočnosť ChromAgeNetu analyzoval staré kmeňové bunky vystavené pôsobeniu rôznych epigenetických zlúčenín. Umelá inteligencia potvrdila, že určité molekuly môžu vyvolať zmeny v štruktúre chromatínu a vrátiť ho do stavu podobného tomu, aký sa vyskytuje v mladých bunkách.
Koordinátorka štúdie Maria Carolina Florianová uviedla, že nástroj zatiaľ funguje ako demonštrácia konceptu na hematopoetických kmeňových bunkách myší. Tím teraz pracuje na jeho optimalizácii a prispôsobení pre ľudské kmeňové bunky s nádejou, že ho bude možné využiť na hodnotenie nových liekov pôsobiacich na architektúru jadra, ktoré by mohli omladiť starnúce kmeňové bunky. Konečným cieľom je využitie algoritmu na rýchle hodnotenie nových liekov schopných omladiť krvné kmeňové bunky a predĺžiť dĺžku života v zdraví.
Výskumníčka vyzýva na opatrnosť
Vedkyňa Paula Petroneová zdôraznila, že hoci objav otvára významné perspektívy pre medicínu, klinické overenie týchto terapií na ľuďoch si vyžiada roky nepretržitého výskumu. Podľa jej slov nie je predĺženie dĺžky života rovnako dôležité ako predĺženie dĺžky života v zdraví. Objav liekov s omladzujúcim potenciálom by napríklad mohol pomôcť zlepšiť starnutie imunitného systému a tým podporiť zdravšie starnutie.
„Musíme byť veľmi opatrní, aby sme naše výsledky nepreceňovali. Vývoj, overenie a nakoniec zavedenie týchto nových technológií do klinickej praxe si vyžaduje roky. Náš výskum je len malým príspevkom k štúdiu toho, ako starneme, a k hľadaniu stratégií, ktoré môžu podporiť zdravé starnutie,“ dodala výskumníčka.
Otvorený prístup pre vedeckú komunitu
Zdrojový kód nástroja a databáza trojrozmerných obrázkov už boli sprístupnené medzinárodnej vedeckej komunite v režime open-source. Otvorený prístup umožňuje iným výskumným skupinám študovať túto metódu, overovať výsledky a skúmať nové aplikácie. To môže urýchliť vývoj technológie a uľahčiť spoluprácu medzi laboratóriami, ktoré sa zaoberajú mechanizmami starnutia, biológiou kmeňových buniek a vývojom liekov.
ChromAgeNet tak ponúka výskumníkom nový nástroj na pochopenie toho, ako sa mení architektúra DNA s vekom, a na preskúmanie, či niektoré z týchto zmien možno ovplyvniť v prospech zdravia.
