Ομάδα στη Βαρκελώνη αναπτύσσει τεχνητή νοημοσύνη που εντοπίζει γήρανση σε βλαστοκύτταρα αίματος

Η γήρανση υποσκάπτει σταδιακά την ικανότητα του οργανισμού να αναγεννάται, επηρεάζοντας σοβαρά την παραγωγή των κυττάρων του αίματος. Σε αυτή την κούρσα απέναντι στο βιολογικό ρολόι, η ανάλυση των αλλοιώσεων στα βλαστοκύτταρα του αίματος είναι καθοριστική για να ανοίξει ο δρόμος σε παρεμβάσεις που θα μπορούσαν να επιβραδύνουν την παρακμή τους και να τους επαναφέρουν την αρχική τους λειτουργία.

ΔΙΑΦΉΜΙΣΗ

ΔΙΑΦΉΜΙΣΗ

Μια επιστημονική ομάδα στη Βαρκελώνη έχει αναπτύξει το ChromAgeNet, ένα εργαλείο τεχνητής νοημοσύνης που ανιχνεύει τη γήρανση των αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων αναλύοντας την τρισδιάστατη δομή του DNA τους.

Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό 'Aging Cell' και στην οποία επικεφαλής είναι οι δρ Maria Carolina Florian (IDIBELL) και Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), δείχνει ότι η οργάνωση της χρωματίνης περιέχει πληροφορίες που επιτρέπουν τη διάκριση κυττάρων προερχόμενων από νεαρά και ηλικιωμένα ποντίκια.

Γέφυρα ανάμεσα στη βιοϊατρική και την υπερυπολογιστική

Για να εκπαιδεύσουν το μοντέλο, οι ερευνήτριες εφάρμοσαν συνελικτικά νευρωνικά δίκτυα σε τρισδιάστατες εικόνες πυρήνων βλαστοκυττάρων ποντικού (πηγή στα Ισπανικά). Το ChromAgeNet αξιοποιεί νευρωνικά δίκτυα για να αποκρυπτογραφήσει τη γήρανση του DNA. Η τεχνητή νοημοσύνη επιτρέπει την ανίχνευση λεπτών δομικών διαφοροποιήσεων που είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι.

Ένας από τους βασικούς φόβους όταν χρησιμοποιούνται νευρωνικά δίκτυα στη βιοϊατρική είναι ότι δεν γνωρίζουμε σε τι βασίζονται για να λαμβάνουν αποφάσεις. Το ChromAgeNet ξεπερνά αυτό το εμπόδιο, καθώς προσφέρει εξηγήσιμη τεχνητή νοημοσύνη (XAI).

Το εργαλείο κατάφερε να ταξινομήσει σωστά, κατά μέσο όρο, περίπου το 68% των κυττάρων ως προερχόμενα από νεαρά ή ηλικιωμένα ποντίκια, με βάση εικόνες που λήφθηκαν με DAPI, μια τυπική και χαμηλού κόστους χρώση.

Επιπλέον, το ChromAgeNet ξεχωρίζει επειδή αποτελεί μια εξηγήσιμη μορφή τεχνητής νοημοσύνης, κάτι που επιτρέπει να μελετηθεί ποιες χαρακτηριστικές λεπτομέρειες των εικόνων συμβάλλουν στις προβλέψεις του. Αυτές οι αναλύσεις ανέδειξαν, μεταξύ άλλων περιοχών, αλλαγές στην περιφέρεια του πυρήνα που συνδέονται με τη γήρανση.

Οι αναλύσεις έδειξαν ότι η χρωματίνη είναι συμπαγής και οργανωμένη στα άκρα του πυρήνα των νεανικών κυττάρων, ενώ στα γερασμένα εμφανίζεται πιο διασκορπισμένη. Ως απόδειξη της αρχής, το εργαλείο αξιολογεί πώς ορισμένα επιγενετικά φάρμακα (πηγή στα Ισπανικά) προκαλούν αλλαγές στην οργάνωση της χρωματίνης, συμβατές με πρότυπα πιο κοντά σε εκείνα που παρατηρούνται σε νεανικά κύτταρα. Αυτό αναδεικνύει το δυναμικό του εργαλείου για τον έλεγχο θεραπειών που θα μπορούσαν να αναγεννήσουν τον αιματικό ιστό και να ενισχύσουν το ανοσοποιητικό σύστημα. Ο κώδικας και η βάση δεδομένων εικόνων είναι ήδη διαθέσιμα στη διεθνή επιστημονική κοινότητα.

Συνεργασία με ερευνητικές ομάδες στην τεχνητή νοημοσύνη

Όσον αφορά τις πρακτικές εφαρμογές που μπορεί να έχει αυτή η έρευνα, η δρ Maria Carolina Florian, κύρια ερευνήτρια στο Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge (IDIBELL), εξηγεί στο 'Euronews': "Προς το παρόν έχουμε αναπτύξει ένα εργαλείο που λειτουργεί ως απόδειξη της αρχής σε αιμοποιητικά βλαστοκύτταρα ποντικού. Τώρα εργαζόμαστε για να το βελτιστοποιήσουμε και να το προσαρμόσουμε σε ανθρώπινα βλαστοκύτταρα, με την ελπίδα να το χρησιμοποιήσουμε για την αξιολόγηση νέων φαρμάκων που μπορούν να δράσουν πάνω στην αρχιτεκτονική του πυρήνα και να χρησιμοποιηθούν για να αναζωογονήσουν γερασμένα βλαστοκύτταρα".

Η Maria Carolina Florian λέει στο 'Euronews' ότι αυτή η δουλειά "βρήκε το ιδανικό έδαφος για να μετατραπεί σε ένα πραγματικό εργαλείο χάρη στην εμπειρία της δρ Paula Petrone (BSC και ISGlobal). Σκοπεύουμε να συνεχίσουμε να το αναπτύσσουμε και να το διευρύνουμε ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Επιπλέον, ζητούμε περισσότερη χρηματοδότηση από την ΕΕ και προσπαθούμε να έρθουμε σε επαφή με άλλους επιστήμονες στην Ευρώπη που ενδιαφέρονται για την πρακτική εφαρμογή της δουλειάς μας".

Από την πλευρά της, η Paula Petrone θεωρεί ότι αυτή η έρευνα "αποδεικνύει πως ένας αλγόριθμος βαθιάς μάθησης μπορεί να διακρίνει μεταξύ νεαρών και γερασμένων βλαστοκυττάρων μέσω της ανάλυσης εικόνων των κυτταρικών πυρήνων που έχουν χρωσθεί με μια χαμηλού κόστους ουσία που ονομάζεται DAPI".

Τρισδιάστατοι χάρτες και ανοικτός κώδικας για την αναζωογόνηση της κυτταρικής αρχιτεκτονικής

Ο εσωτερικός χάρτης του κυτταρικού πυρήνα αποκαλύπτει ένα χαρακτηριστικό αποτύπωμα: στη νεαρή ηλικία η χρωματίνη συσσωρεύεται με συμπαγή τρόπο στα άκρα του πυρήνα, ενώ με τα χρόνια αυτή η αρχιτεκτονική αποδιοργανώνεται. Ο εντοπισμός αυτών των προτύπων θα μπορούσε να βοηθήσει στη μελέτη του εκφυλισμού των βλαστοκυττάρων του αίματος και στην αξιολόγηση πιθανών στρατηγικών ικανών να αναγεννήσουν τον αιμοποιητικό ιστό και να προκαλέσουν μια αλλαγή στον οργανισμό.

Για να αποδείξει το πρακτικό δυναμικό του αλγορίθμου, η ομάδα σχεδίασε μια πιλοτική δοκιμή: εφάρμοσε το εργαλείο σε γερασμένα κύτταρα που είχαν εκτεθεί σε διάφορα επιγενετικά φάρμακα. Ο στόχος; Να διαπιστωθεί αν τα μόρια μπορούν να προκαλέσουν αλλαγές στην οργάνωση της χρωματίνης συμβατές με μια πιο νεανική κατάσταση.

Για να επιταχύνει νέες ανακαλύψεις, η ομάδα έχει διαθέσει ελεύθερα τον κώδικα του εργαλείου και μια δημόσια βάση δεδομένων με τρισδιάστατες εικόνες βλαστοκυττάρων, με στόχο τον εντοπισμό φαρμάκων που ενισχύουν το ανοσοποιητικό σύστημα και την ποιότητα ζωής στην τρίτη ηλικία.

Πλήθος διεθνών μελετών υποστηρίζει τον καθοριστικό ρόλο του ανοσοποιητικού συστήματος στη γήρανση του οργανισμού, όπως επισημαίνει η Maria Carolina Florian: "Στο εργαστήριό μας έχουμε συμβάλει δείχνοντας τη δυνατότητα διέγερσης και αναζωογόνησης των γερασμένων αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων ώστε να βελτιωθεί όχι μόνο η λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος, αλλά και το προσδόκιμο και η υγεία του οργανισμού στο σύνολό του".

Μακροπρόθεσμη υπόσχεση, προσοχή στο παρόν: η επιστήμη πίσω από το ChromAgeNet ζητά σύνεση

Το νέο εργαλείο ChromAgeNet θα βοηθήσει στην κατανόηση των βασικών μοριακών μηχανισμών που εμπλέκονται στη γήρανση των αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων, οι οποίοι μπορούν να γίνουν αντικείμενο θεραπείας με στόχο την αναζωογόνησή τους. "Ελπίζουμε να διευρύνουμε τις γνώσεις μας, να εδραιώσουμε τα ευρήματά μας και να εντοπίσουμε νέα εργαλεία και φάρμακα για να βελτιώσουμε τη λειτουργία των γερασμένων αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων", καταλήγει η ερευνήτρια Florian.

"Στο μέλλον, αυτή η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο νέων φαρμάκων με αναζωογονητικό δυναμικό. Έτσι, αντιμετωπίζοντας γερασμένα κύτταρα με διάφορες υποψήφιες ουσίες, η τεχνητή νοημοσύνη θα μπορούσε, μέσω της ανάλυσης αυτών των εικόνων, να εντοπίζει εκείνες που προκαλούν αλλαγές συμβατές με μια πιο νεανική κατάσταση", δηλώνει στο 'Euronews' η Paula Petrone.

Για την Petrone, "η παράταση του προσδόκιμου ζωής δεν είναι τόσο σημαντική όσο η παράταση των χρόνων υγιούς ζωής. Η ανακάλυψη νέων φαρμάκων με αναζωογονητικό δυναμικό θα μπορούσε, για παράδειγμα, να βελτιώσει τη γήρανση του ανοσοποιητικού συστήματος και έτσι να ευνοήσει μια πιο υγιή γήρανση".

Η ερευνήτρια, ωστόσο, επιμένει μιλώντας στο 'Euronews' στην ανάγκη για προσοχή: "Πρέπει να είμαστε πολύ προσεκτικοί ώστε να μην υπερεκτιμήσουμε τα αποτελέσματά μας. Αυτές οι νέες τεχνολογίες χρειάζονται χρόνια για να αναπτυχθούν, να επικυρωθούν και, τελικά, να φτάσουν στην κλινική πράξη. Η έρευνά μας προσθέτει μόνο έναν κόκκο άμμου στη μελέτη του πώς γερνάμε και στην αναζήτηση στρατηγικών που θα μπορούσαν να ευνοήσουν μια υγιή γήρανση"