Инструмент ChromAgeNet расшифровал 3D-организацию хроматина в ядре, отличая молодые и старые стволовые клетки крови. Это открывает путь к исследованиям омоложения клеток.
Старение постепенно подрывает способность организма к регенерации, серьезно нарушая выработку клеток крови. В этой гонке с биологическими часами анализ изменений кроветворных стволовых клеток имеет решающее значение: он открывает путь к вмешательствам, которые могут замедлить их деградацию и вернуть им исходные функции.
РЕКЛАМА
РЕКЛАМА
Научная группа из Барселоны разработала ChromAgeNet - инструмент на базе искусственного интеллекта, который выявляет признаки старения кроветворных стволовых клеток, анализируя трехмерную структуру их ДНК.
Исследование, опубликованное в журнале Aging Cell и возглавляемое докторами Марией Каролиной Флориан (IDIBELL) и Паулой Петроне (BSC-CNS/ISGlobal), показывает, что организация хроматина содержит информацию, позволяющую различать клетки, полученные от молодых и старых мышей.
Мост между биомедициной и суперкомпьютерными технологиями
Чтобы обучить модель, исследовательницы применили сверточные нейронные сети к 3D-изображениям ядер стволовых клеток мыши (источник на испанском языке). ChromAgeNet использует нейронные сети, чтобы расшифровать возрастные изменения ДНК. ИИ позволяет выявлять тонкие структурные вариации, которые остаются незаметными для человеческого глаза.
Один из главных страхов при использовании нейронных сетей в биомедицине связан с тем, что зачастую непонятно, на чем основаны их решения. ChromAgeNet снимает эту проблему, поскольку предлагает объяснимый ИИ (XAI).
Инструменту удалось в среднем правильно классифицировать около 68 % клеток как полученные от молодых или старых мышей по изображениям, полученным с помощью DAPI, стандартной и недорогой окраски.
Кроме того, ChromAgeNet выделяется тем, что относится к объяснимому ИИ, что позволяет выяснить, какие особенности изображений лежат в основе его прогнозов. Эти анализы указали, среди прочего, на изменения в периферии ядра, связанные со старением.
Анализы показали, что у молодых клеток хроматин на краях ядра остается компактным и организованным, тогда как в старых он разрыхлен и рассеян. В качестве демонстрации принципа работы инструмента исследователи оценили, как некоторые эпигенетические препараты (источник на испанском языке) вызывают изменения в организации хроматина, соответствующие рисунку, более близкому к тому, что наблюдается в молодых клетках. Это демонстрирует потенциал инструмента для скрининга терапий, способных регенерировать кроветворную ткань и укреплять иммунную систему. Код и база данных изображений уже доступны международному научному сообществу.
Сотрудничество с командами, работающими над ИИ
Говоря о практических применениях этого исследования, доктор Мария Каролина Флориан, ведущий исследователь Института биомедицинских исследований Беллвитже (IDIBELL), объяснила Euronews: «Сейчас мы разработали инструмент, который служит доказательством концепции на мышиных гемопоэтических стволовых клетках. Теперь мы работаем над тем, чтобы оптимизировать его и адаптировать к человеческим стволовым клеткам в надежде использовать его для оценки новых препаратов, способных воздействовать на ядерную архитектуру и омолаживать стареющие стволовые клетки».
Мария Каролина Флориан рассказала Euronews, что эта работа «получила идеальную почву, чтобы превратиться в реальный инструмент, благодаря опыту доктора Паулы Петроне (BSC и ISGlobal). Мы планируем продолжить развитие ChromAgeNet и расширить его применение на человеческие стволовые клетки. Кроме того, мы подаем заявки на дополнительное финансирование из ЕС и пытаемся наладить контакты с другими европейскими учеными, заинтересованными в практическом использовании наших результатов».
В свою очередь, Паула Петроне считает, что это исследование «демонстрирует, что алгоритм глубокого обучения может различать молодые и старые стволовые клетки по анализу изображений ядер клеток, окрашенных недорогим реагентом под названием DAPI».
3D-карты и открытый код для омоложения клеточной архитектуры
Внутренняя карта клеточного ядра выявляет характерную подпись: в молодом возрасте хроматин плотно «укрепляется» по краям ядра, а с годами эта архитектура разрушается. Выявление таких рисунков может помочь изучать ухудшение состояния кроветворных стволовых клеток и оценивать возможные стратегии, способные регенерировать гемопоэтическую ткань и приводить к изменениям во всем организме.
Чтобы продемонстрировать практический потенциал алгоритма, команда провела эксперимент-доказательство концепции: инструмент применили к стареющим клеткам, подвергнутым воздействию различных эпигенетических препаратов. Цель состояла в том, чтобы проверить, способны ли эти молекулы вызывать изменения в организации хроматина, совместимые с более молодым состоянием.
Чтобы ускорить новые открытия, команда открыла исходный код инструмента и создала общедоступную базу данных с 3D-изображениями стволовых клеток, рассчитывая найти препараты, которые укрепят иммунную систему и повысят качество жизни в пожилом возрасте.
Многочисленные международные исследования подтверждают ключевую роль иммунной системы в процессе старения организма, отмечает Мария Каролина Флориан: «В нашей лаборатории мы показали возможность стимулировать и омолаживать стареющие гемопоэтические стволовые клетки, чтобы улучшать не только функции иммунной системы, но и продолжительность жизни и общее состояние здоровья организма».
Долгосрочные обещания и осторожность в настоящем: ученые, стоящие за ChromAgeNet, призывают к сдержанности
Новый инструмент ChromAgeNet поможет лучше понять базовые молекулярные механизмы, лежащие в основе старения гемопоэтических стволовых клеток и потенциально поддающихся терапевтическому воздействию для их омоложения. «Мы надеемся расширить наши знания, подтвердить полученные результаты и выявить новые инструменты и препараты для улучшения функций стареющих гемопоэтических стволовых клеток», - подытоживает исследовательница Флориан.
«В будущем эту технику можно будет использовать для скрининга новых препаратов с омолаживающим потенциалом. Так, обрабатывая стареющие клетки разными кандидатными соединениями, ИИ сможет по анализу изображений выявлять те, которые вызывают изменения, совместимые с более молодым состоянием», - говорит Euronews Паула Петроне.
По словам доктора Петроне, «продлить продолжительность жизни не так важно, как продлить продолжительность здоровой жизни. Открытие новых препаратов с омолаживающим потенциалом могло бы, например, улучшить состояние стареющей иммунной системы и тем самым способствовать более здоровому старению».
Тем не менее исследовательница в беседе с Euronews подчеркивает необходимость осторожности: «Мы должны быть очень внимательны, чтобы не переоценивать наши результаты. Разработка, валидация и, в конечном итоге, внедрение таких технологий в клиническую практику занимает годы. Наше исследование - лишь небольшой вклад в изучение того, как мы стареем, и в поиск стратегий, которые помогут обеспечить более здоровое старение»