Инструмент ChromAgeNet расшифровал архитектуру хроматина, трёхмерную организацию ДНК в ядре, различив молодые и старые стволовые клетки крови. Это открытие открывает путь к новым исследованиям клеточного омоложения.
С возрастом старение постепенно подрывает способность организма к регенерации, серьёзно ухудшая обновление клеток крови. В этой гонке с биологическими часами крайне важно анализировать, как меняются кроветворные стволовые клетки: это открывает путь к вмешательствам, способным замедлить их угасание и вернуть им исходные функции.
РЕКЛАМА
РЕКЛАМА
Научная группа из Барселоны разработала ChromAgeNet — инструмент на базе искусственного интеллекта, который определяет степень старения кроветворных стволовых клеток по трёхмерной структуре их ДНК.
Исследование, опубликованное в журнале Aging Cell под руководством докторов Марии Каролины Флориан (IDIBELL) и Паулы Петроне (BSC-CNS/ISGlobal), показывает, что организация хроматина несёт в себе информацию, позволяющую различать клетки, полученные от молодых и от старых мышей.
Мост между биомедициной и суперкомпьютерами
Чтобы обучить модель, исследовательницы задействовали сверточные нейронные сети и проанализировали 3D-изображения ядер стволовых клеток мышей (источник на испанском языке). ChromAgeNet использует нейронные сети, чтобы «расшифровать» признаки старения ДНК. ИИ позволяет обнаружить тонкие структурные изменения, которые остаются незаметными для человеческого глаза.
Один из главных страхов при использовании нейронных сетей в биомедицине связан с тем, что зачастую непонятно, на чём основаны их решения. ChromAgeNet преодолевает этот барьер, предлагая объяснимый искусственный интеллект (XAI).
Инструменту удалось правильно классифицировать в среднем около 68 % клеток как принадлежащие молодым или старым мышам по изображениям, полученным с помощью DAPI — стандартного и недорогого красителя.
Кроме того, ChromAgeNet выделяется как объяснимый ИИ, что позволяет выяснить, какие особенности изображений вносят вклад в его прогнозы. Эти анализы, среди прочего, указали на изменения на периферии ядра, связанные со старением.
Исследование показало, что у молодых клеток хроматин по краям ядра остаётся плотным и упорядоченным, тогда как у старых он становится более рассеянным. В качестве доказательства концепции инструмент оценивает, как отдельные эпигенетические препараты (источник на испанском языке) меняют организацию хроматина в сторону рисунка, более похожего на тот, что наблюдается в молодых клетках. Это демонстрирует потенциал системы для скрининга терапий, способных регенерировать ткани крови и укреплять иммунную систему. Исходный код и база изображений уже доступны международному научному сообществу.
Сотрудничество с командами исследователей ИИ
Говоря о возможных практических применениях этой работы, доктор Мария Каролина Флориан, ведущая исследовательница Института биомедицинских исследований Беллвитже (IDIBELL), поясняет Euronews: «На данном этапе мы создали инструмент, который демонстрирует доказательство концепции на мышиных гемопоэтических стволовых клетках. Сейчас мы работаем над тем, чтобы оптимизировать его и адаптировать к человеческим стволовым клеткам в надежде использовать его для оценки новых препаратов, воздействующих на архитектуру ядра и пригодных для омоложения старых стволовых клеток».
Мария Каролина Флориан добавляет в комментарии Euronews, что эта работа «получила идеальную площадку, чтобы стать реальным инструментом, благодаря опыту доктора Паулы Петроне (BSC и ISGlobal). Мы планируем продолжать развивать эту систему и расширить её применение на человеческие стволовые клетки. Кроме того, мы подаём заявки на дополнительные гранты ЕС и ищем контакты с другими европейскими учёными, заинтересованными в практическом применении наших результатов».
Со своей стороны Паула Петроне считает, что это исследование «показывает, что алгоритм глубокого обучения способен различать молодые и старые стволовые клетки на основе анализа изображений ядер, окрашенных недорогим красителем DAPI».
3D-карты и открытый код для омоложения клеточной архитектуры
Внутренняя карта клеточного ядра выявляет характерную «подпись»: в молодом возрасте хроматин компактно «укрепляется» по краям ядра, а с годами эта архитектура распадается. Выявление этих рисунков может помочь изучать деградацию кроветворных стволовых клеток и оценивать стратегии, способные регенерировать гемопоэтическую ткань и запустить изменения в организме.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал алгоритма, команда провела ещё один эксперимент: применила инструмент к старым клеткам, подвергнутым воздействию разных эпигенетических препаратов. Задача состояла в том, чтобы понять, способны ли эти молекулы вызвать изменения в организации хроматина, соответствующие более молодому состоянию.
Чтобы ускорить дальнейшие открытия, исследователи открыли исходный код инструмента и разместили в открытом доступе базу 3D-изображений стволовых клеток, рассчитывая найти лекарства, которые укрепят иммунную систему и улучшат качество жизни в пожилом возрасте.
Целый ряд международных работ подтверждает ключевую роль иммунной системы в старении организма, подчёркивает Мария Каролина Флориан: «В нашей лаборатории мы показали, что есть возможность стимулировать и омолаживать стареющие гемопоэтические стволовые клетки, улучшая не только функцию иммунной системы, но и продолжительность и качество жизни организма в целом».
Долгосрочное обещание, но осторожность сегодня: учёные за ChromAgeNet призывают к сдержанности
Новый инструмент ChromAgeNet поможет лучше понять базовые молекулярные механизмы старения гемопоэтических стволовых клеток, которые в перспективе могут стать мишенью для омолаживающей терапии. «Мы рассчитываем углубить понимание этих процессов, подтвердить наши выводы и найти новые инструменты и препараты, которые улучшат работу стареющих гемопоэтических стволовых клеток», — подытоживает Флориан.
«В будущем эта технология может применяться для скрининга новых лекарств с омолаживающим потенциалом. Обрабатывая старые клетки разными перспективными соединениями, ИИ сможет по их изображениям выделить те, что вызывают изменения, соответствующие более молодому состоянию», — поясняет Euronews Паула Петроне.
По словам доктора Петроне, «увеличить продолжительность жизни не так важно, как увеличить продолжительность здоровой жизни. Открытие новых препаратов с омолаживающим эффектом могло бы, например, замедлить старение иммунной системы и тем самым способствовать более здоровому старению организма».
В то же время исследовательница в беседе с Euronews призывает к осторожности: «Мы должны быть очень внимательны и не переоценивать свои результаты. На разработку, валидацию и, в конечном счёте, клиническое внедрение таких технологий уходят годы. Наше исследование — лишь маленький вклад в изучение того, как мы стареем, и в поиск подходов, которые помогут сделать старение более здоровым».