Objavili nový spôsob, ako skúmať starnutie. Výsledky otvárajú cestu k novým liekom
Výskumníci z Barcelony vyvinuli ChromAgeNet, nástroj umelej inteligencie, ktorý dokáže identifikovať príznaky starnutia kmeňových buniek v krvi analýzou spôsobu, akým je DNA usporiadaná vo vnútri bunkového jadra. Tento objav otvára nové perspektívy pre hľadanie liečebných postupov, ktoré by mohli pomôcť starnúcim bunkám získať späť aspoň časť stratených funkcií. Odborníci však varujú, že sme ešte ďaleko od uplatnenia tejto technológie v každodennej medicíne.
Most medzi superpočítačmi a biomedicínou
Starnutie sa neprejavuje len na koži alebo v tom, ako organizmus postupne stráca energiu. Dôležité zmeny prebiehajú aj vo vnútri buniek, kde sa nachádza DNA – molekula obsahujúca pokyny potrebné na fungovanie organizmu. S pribúdajúcim vekom môžu kmeňové bunky v krvi postupne strácať schopnosť produkovať nové a zdravé krvné bunky. Tento proces ovplyvňuje aj fungovanie imunitného systému, ktorý sa stáva menej účinným v boji proti infekciám a pri udržiavaní zdravia.
Nástroj s názvom ChromAgeNet analyzuje trojrozmernú organizáciu chromatínu, štruktúry tvorenej DNA a proteínov, ktoré ju usporadúvajú v bunkovom jadre. Na základe analýzy snímok bunkových jadier dokáže algoritmus identifikovať rozdiely medzi kmeňovými bunkami pochádzajúcimi z mladých myší a tými pochádzajúcimi zo 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, dokazuje, že priestorová organizácia chromatínu obsahuje jasný „odtlačok“, ktorý odlišuje mladé bunky od starnúcich. Tieto výsledky by v budúcnosti mohli prispieť k identifikácii liekov schopných zlepšiť fungovanie starnúcich kmeňových buniek.
Ako nám DNA ukazuje, že starneme
Na trénovanie modelu hlbokého učenia výskumníci použili takzvané konvolučné neurónové siete na 3D snímkach jadier kmeňových buniek pochádzajúcich z myší. ChromAgeNet má zároveň umožniť vedcom presne pochopiť, na akých vizuálnych kritériách algoritmus zakladá svoje rozhodnutia. Model dokázal správne klasifikovať približne 68 % buniek ako mladé alebo staré, pričom použil snímky získané pomocou DAPI, štandardnej a mimoriadne dostupnej metódy farbenia buniek.
Analýzy odhalili zásadný štrukturálny rozdiel: v mladých kmeňových bunkách je chromatin pevne zhutnený a ukotvený na okraji jadra, zatiaľ čo v starých bunkách sa táto štruktúra rozpadá a chromatin sa javí ako rozptýlený.
Testovanie epigenetických liekov na omladenie imunitného systému
S cieľom preukázať praktickú užitočnosť ChromAgeNetu španielsky tím 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, vysvetlila: „V súčasnosti sme vyvinuli nástroj, ktorý funguje ako demonštrácia konceptu na hematopoetických kmeňových bunkách myší. Teraz pracujeme na jeho optimalizácii a prispôsobení pre ľudské kmeňové bunky, v nádeji, že ho budeme môcť využiť na hodnotenie nových liekov, ktoré môžu pôsobiť na architektúru jadra a môžu sa použiť na omladenie starnúcich kmeňových buniek.“
Konečným cieľom je využitie algoritmu na rýchle hodnotenie nových liekov, ktoré sú schopné omladiť krvné kmeňové bunky a predĺžiť dĺžku života v zdraví.
Vedkyňa Paula Petroneová vyzýva k opatrnosti a zdôrazňuje, že hoci tento objav otvára fantastické perspektívy pre medicínu, klinické overenie týchto terapií na ľuďoch si vyžiada roky nepretržitého výskumu. „Predĺženie dĺžky života nie je rovnako dôležité ako predĺženie dĺžky života v zdraví. Objav nových liekov s omladzujúcim potenciálom by mohol napríklad pomôcť zlepšiť starnutie imunitného systému a tým podporiť zdravšie starnutie,“ zdôraznila.
„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.
Zdrojový kód nástroja a databáza 3D 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 tejto technológie a uľahčiť spoluprácu medzi laboratóriami, ktoré sa zaoberajú mechanizmami starnutia, biológiou kmeňových buniek a vývojom liekov. ChromAgeNet 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.
