Επιστημονική ομάδα στη Βαρκελώνη αναπτύσσει ΙΑ για τη γήρανση βλαστοκυττάρων αίματος

Η γήρανση υπονομεύει σταδιακά την ικανότητα του οργανισμού να αναγεννάται, επηρεάζοντας σοβαρά την παραγωγή κυττάρων του αίματος. Σε αυτή την κούρσα απέναντι στο βιολογικό ρολόι, η ανάλυση των αλλοιώσεων στα βλαστοκύτταρα του αίματος είναι κρίσιμη για να ανοίξει τον δρόμο σε παρεμβάσεις που θα επιβραδύνουν την έκπτωσή τους και θα τους επαναφέρουν την αρχική τους λειτουργία.

ΔΙΑΦΉΜΙΣΗ

ΔΙΑΦΉΜΙΣΗ

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

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Aging Cell» και πραγματοποιήθηκε υπό την καθοδήγηση των διευθυντριών Maria Carolina Florian (IDIBELL) και Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), δείχνει ότι η οργάνωση της χρωματίνης περιέχει πληροφορίες που επιτρέπουν να διακριθούν κύτταρα που προέρχονται από νεαρά και γηρασμένα ποντίκια.

Γέφυρα ανάμεσα στη βιοϊατρική και τους υπερυπολογιστές

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 αποκωδικοποιήσει τη γήρανση του DNA. Η τεχνητή νοημοσύνη επιτρέπει την ανίχνευση λεπτών δομικών μεταβολών που είναι αόρατες στο ανθρώπινο μάτι.

Ένας από τους βασικούς φόβους στη χρήση νευρωνικών δικτύων στη βιοϊατρική είναι ότι δεν γνωρίζουμε σε τι βασίζονται όταν λαμβάνουν αποφάσεις. Το ChromAgeNet υπερβαίνει αυτό το εμπόδιο προσφέροντας επεξηγήσιμη τεχνητή νοημοσύνη (XAI).

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

Επιπλέον, το ChromAgeNet ξεχωρίζει επειδή αποτελεί επεξηγήσιμη μορφή τεχνητής νοημοσύνης, κάτι που επιτρέπει να διερευνηθεί ποια χαρακτηριστικά των εικόνων συμβάλλουν στις προβλέψεις του. 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 όρια του πυρήνα των νεαρών κυττάρων, ενώ στα γηρασμένα εμφανίζεται διασκορπισμένη. Ως απόδειξη της έννοιας, το εργαλείο αξιολογεί πώς ορισμένα επιγενετικά φάρμακα (πηγή στα Ισπανικά) προκαλούν αλλαγές στην οργάνωση της χρωματίνης συμβατές με πρότυπα πιο κοντινά σε αυτά που παρατηρούνται σε νεαρά κύτταρα, δείχνοντας το δυναμικό του για τον προληπτικό έλεγχο θεραπειών που μπορούν να αναγεννήσουν τον αιματικό ιστό και να ενισχύσουν το ανοσοποιητικό σύστημα. Ο κώδικας και η βάση δεδομένων εικόνων είναι ήδη στη διάθεση της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας.

Συνεργασία με ομάδες έρευνας 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»: «Επί του παρόντος, έχουμε αναπτύξει ένα εργαλείο που λειτουργεί ως απόδειξη της έννοιας 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 θα μπορούσαν να δρουν πάνω στην αρχιτεκτονική του πυρήνα και να χρησιμοποιηθούν για την αναζωογόνηση γηρασμένων βλαστοκυττάρων».

Η Maria Carolina Florian εξηγεί στο «Euronews» ότι αυτή η δουλειά «βρήκε το ιδανικό έδαφος για να μετατραπεί σε πραγματικό εργαλείο χάρη στην εμπειρία της δρ Paula Petrone (BSC και ISGlobal). Σχεδιάζουμε να συνεχίσουμε να το αναπτύσσουμε και να το επεκτείνουμε για χρήση σε ανθρώπινα βλαστοκύτταρα. Επιπλέον, ζητάμε περισσότερη χρηματοδότηση από την ΕΕ και προσπαθούμε να δημιουργήσουμε επαφές 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 «τεκμηριώνει πως ένας αλγόριθμος βαθιάς μάθησης μπορεί να διακρίνει ανάμεσα σε νεαρά και γηρασμένα βλαστοκύτταρα μέσω της ανάλυσης εικόνων των κυτταρικών πυρήνων, οι οποίοι 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 μια αδιαμφισβήτητη «υπογραφή»: στη νεότητα, η χρωματίνη οχυρώνεται με συμπαγή τρόπο στα όρια του πυρήνα, ενώ με την πάροδο των ετών αυτή η αρχιτεκτονική αποδιοργανώνεται. Η ταυτοποίηση αυτών των προτύπων θα μπορούσε να βοηθήσει στη μελέτη του φθοράς των βλαστοκυττάρων του αίματος και στην αξιολόγηση πιθανών στρατηγικών ικανών να αναγεννήσουν τον αιμοποιητικό ιστό και να προκαλέσουν μια αλλαγή στον οργανισμό.

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

Για να επιταχύνει νέες ανακαλύψεις, η ομάδα έχει δημοσιεύσει 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 στα γηρατειά.

Πλήθος διεθνών μελετών τεκμηριώνει τον θεμελιώδη ρόλο του ανοσοποιητικού συστήματος στη γήρανση του οργανισμού, όπως επισημαίνει η Maria Carolina Florian: «Στο εργαστήριό μας συμβάλαμε δείχνοντας τη δυνατότητα διέγερσης και αναζωογόνησης γηρασμένων αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων ώστε να βελτιώσουμε όχι μόνο τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος, αλλά και το προσδόκιμο και την υγεία του οργανισμού στο σύνολό του».

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

Το νέο εργαλείο ChromAgeNet θα βοηθήσει να κατανοήσουμε τους βασικούς μοριακούς μηχανισμούς που εμπλέκονται στη γήρανση των αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων, οι οποίοι μπορούν να αποτελέσουν αντικείμενο θεραπείας για 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 γηρασμένων αιμοποιητικών βλαστοκυττάρων», καταλήγει η ερευνήτρια Florian.

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

Για τη δρ Petrone, «η παράταση του προσδόκιμου ζωής δεν είναι τόσο σημαντική όσο η παράταση της υγιούς προσδοκίας ζωής. Η ανακάλυψη νέων φαρμάκων με αναζωογονητικό δυναμικό θα μπορούσε, για παράδειγμα, να συμβάλει στη βελτίωση της γήρανσης του ανοσοποιητικού συστήματος και έτσι να ευνοήσει ένα πιο υγιές γήρας».

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 μπορούν να ευνοήσουν ένα υγιές γήρας».