ابزار ChromAgeNet موفق شده معماری کروماتین، یعنی سازمان سه‌بعدی دی‌ان‌ای در هسته سلول، را رمزگشایی کند و میان سلولهای بنیادی خونی جوان و پیر تمایز بگذارد. این کشف راه‌های تازه‌ای برای پژوهش در زمینه جوان‌سازی سلولی می‌گشاید.
پیری به تدریج توانایی بدن برای بازسازی خود را تضعیف می‌کند و تولید سلولهای خون را به شدت تحت تاثیر قرار می‌دهد. در این رقابت با ساعت زیستی، بررسی تغییرات سلولهای بنیادی خون برای گشودن راه مداخلاتی که بتواند روند افول آن‌ها را کند کند و کارکرد اصلی‌شان را بازگرداند، حیاتی است.
آگهی
آگهی
یک تیم علمی در بارسلونا سامانه‌ای به نام ChromAgeNet طراحی کرده است؛ ابزاری مبتنی بر هوش مصنوعی که با تحلیل ساختار سه‌بعدی دی‌ان‌ای سلولهای بنیادی خون، پیری آن‌ها را شناسایی می‌کند.
نتایج این پژوهش که در نشریه «Aging Cell» منتشر شده و به سرپرستی دکتر ماریا کارولینا فلوریان (IDIBELL) و دکتر پائولا پترونه (BSC-CNS/ISGlobal) انجام شده است، نشان می‌دهد نحوه آرایش کروماتین حاوی اطلاعاتی است که امکان تشخیص سلولهای منشأ گرفته از موش‌های جوان و پیر را فراهم می‌کند.
پل میان زیست‌پزشکی و ابررایانش
برای آموزش مدل، پژوهشگران شبکه‌های عصبی کانولوشنی را بر روی تصاویر سه‌بعدی هسته سلولهای بنیادی موش (منبع به زبان اسپانیایی) اعمال کردند. کروم‌ایج‌نت از شبکه‌های عصبی برای رمزگشایی پیری دی‌ان‌ای استفاده می‌کند. هوش مصنوعی امکان شناسایی تغییرات ساختاری ظریفی را فراهم می‌کند که با چشم انسان قابل تشخیص نیست.
یکی از نگرانی‌های اصلی در استفاده از شبکه‌های عصبی در زیست‌پزشکی، روشن نبودن مبنای تصمیم‌گیری آن‌هاست. کروم‌ایج‌نت این سد را می‌شکند و یک هوش مصنوعی قابل توضیح (XAI) ارائه می‌کند.
این ابزار توانست به طور میانگین حدود ۶۸ درصد سلول‌ها را بر اساس تصاویری که با DAPI، یک رنگ‌آمیزی استاندارد و کم‌هزینه، به دست آمده بود، به درستی به عنوان سلولهای موش‌های جوان یا پیر طبقه‌بندی کند.
علاوه بر این، کروم‌ایج‌نت به دلیل قابل توضیح بودن متمایز است و اجازه می‌دهد بررسی شود کدام ویژگی‌های تصویری در شکل‌گیری پیش‌بینی‌های آن نقش دارند. این تحلیل‌ها از جمله به تغییرات در پیرامون هسته اشاره کردند که با روند پیری مرتبط است.
تحلیل‌ها نشان داد که کروماتین در کناره‌های هسته سلولهای جوان به شکلی فشرده و منظم قرار دارد، در حالی که در سلولهای پیر پراکنده است. به عنوان اثبات مفهوم، این ابزار ارزیابی می‌کند که چگونه برخی داروهای اپی‌ژنتیک (منبع به زبان اسپانیایی) تغییراتی در سازماندهی کروماتین ایجاد می‌کنند که با الگوهای مشابه آنچه در سلولهای جوان دیده می‌شود، همخوان است؛ امری که ظرفیت این ابزار را برای غربالگری درمان‌هایی که بتوانند بافت خونی را بازسازی و سیستم ایمنی را تقویت کنند، نشان می‌دهد. کد و پایگاه داده تصاویر اکنون در اختیار جامعه علمی بین‌المللی قرار گرفته است.
همکاری با تیم‌های پژوهشی هوش مصنوعی
ماریا کارولینا فلوریان، پژوهشگر ارشد در موسسه پژوهش زیست‌پزشکی بِلویتیجه (IDIBELL)، در گفت‌وگو با «یورونیوز» درباره کاربردهای عملی این پژوهش توضیح می‌دهد: «در حال حاضر، ابزاری را توسعه داده‌ایم که به عنوان اثبات مفهوم در سلولهای بنیادی خون‌ساز موش عمل می‌کند. اکنون در حال کار برای بهینه‌سازی و سازگار کردن آن با سلولهای بنیادی انسانی هستیم، به امید آن که بتوانیم از آن برای ارزیابی داروهای جدیدی استفاده کنیم که بر معماری هسته اثر می‌گذارند و برای جوان‌سازی سلولهای بنیادی پیر به کار می‌روند.»
فلوریان به «یورونیوز» می‌گوید این پروژه «به لطف تجربه دکتر پائولا پترونه (BSC و ISGlobal) زمینۀ ایده‌آلی پیدا کرده تا به ابزاری واقعی تبدیل شود. برنامه داریم به توسعه آن ادامه دهیم و آن را برای استفاده در سلولهای بنیادی انسانی گسترش دهیم. همچنین در حال درخواست بودجه بیشتر از اتحادیه اروپا و تلاش برای برقراری ارتباط با دیگر دانشمندان اروپایی علاقه‌مند به کاربرد عملی کار خود هستیم.»
پائولا پترونه این پژوهش را چنین توصیف می‌کند: «این کار نشان می‌دهد که یک الگوریتم یادگیری عمیق می‌تواند از طریق تحلیل تصاویر هسته سلول‌هایی که با مادۀ کم‌هزینه‌ای به نام DAPI رنگ‌آمیزی شده‌اند، بین سلولهای بنیادی جوان و پیر تمایز قائل شود.»
نقشه‌های سه‌بعدی و کد باز برای جوان‌سازی معماری سلول
نقشه درونی هسته سلول امضای روشنی را آشکار می‌کند: در جوانی، کروماتین به شکلی فشرده در کناره‌های هسته سنگر می‌گیرد؛ با گذشت سال‌ها این معماری از هم می‌پاشد. شناسایی این الگوها می‌تواند به مطالعه فرسودگی سلولهای بنیادی خون و ارزیابی راهبردهایی کمک کند که قادرند بافت خون‌ساز را بازتولید کنند و تغییری در کل بدن رقم بزنند.
برای نشان دادن ظرفیت عملی الگوریتم، تیم یک آزمایش اثبات مفهوم طراحی کرد: آن‌ها ابزار را بر سلولهای پیر اعمال کردند که در معرض داروهای مختلف اپی‌ژنتیک قرار داشتند تا ببینند آیا این مولکول‌ها می‌توانند تغییراتی در سازماندهی کروماتین ایجاد کنند که با وضعیت جوان‌تر سازگار باشد.
برای سرعت بخشیدن به کشف‌های جدید، تیم کد این ابزار و یک پایگاه داده عمومی شامل تصاویر سه‌بعدی سلولهای بنیادی را منتشر کرده است تا راه را برای یافتن داروهایی که سیستم ایمنی و کیفیت زندگی در سالمندی را تقویت می‌کنند هموار کند.
مطالعات بین‌المللی بسیاری نقش بنیادین سیستم ایمنی را در روند پیری بدن تایید کرده‌اند؛ همان‌طور که ماریا کارولینا فلوریان تاکید می‌کند: «ما در آزمایشگاه خود نشان داده‌ایم که امکان تحریک و جوان‌سازی سلولهای بنیادی خون‌ساز پیر وجود دارد تا نه تنها کارکرد سیستم ایمنی، بلکه امید به زندگی و سلامت کلی بدن را بهبود ببخشند.»
وعده بلندمدت، احتیاط در حال حاضر: علم پشت کروم‌ایج‌نت خواستار دوراندیشی است
ابزار جدید کروم‌ایج‌نت به درک سازوکارهای مولکولی بنیادی دخیل در پیری سلولهای بنیادی خون‌ساز کمک خواهد کرد؛ سازوکارهایی که می‌توانند هدف درمان برای جوان‌سازی آن‌ها قرار گیرند. فلوریان جمع‌بندی می‌کند: «امیدواریم دانش خود را گسترش دهیم، یافته‌های خود را تثبیت کنیم و ابزارها و داروهای جدیدی شناسایی کنیم که عملکرد سلولهای بنیادی خون‌ساز پیر را بهبود می‌بخشند.»
پترونه در گفت‌وگو با «یورونیوز» می‌گوید: «در آینده می‌توان از این روش برای غربالگری داروهای جدید با ظرفیت جوان‌سازی استفاده کرد. به این ترتیب، با درمان سلولهای پیر با ترکیبات نامزد مختلف، هوش مصنوعی می‌تواند از طریق تحلیل این تصاویر آن دسته از مولکول‌ها را شناسایی کند که تغییراتی سازگار با حالت جوان‌تر ایجاد می‌کنند.»
به باور دکتر پترونه «افزایش امید به زندگی، به اندازه افزایش امید به زندگی همراه با سلامت مهم نیست. کشف داروهای جدید با ظرفیت جوان‌سازی می‌تواند مثلا به بهبود روند پیری سیستم ایمنی کمک کند و در نتیجه پیری سالم‌تری را رقم بزند.»
با این حال، این پژوهشگر در گفت‌وگو با «یورونیوز» بر احتیاط تاکید می‌کند: «باید بسیار محتاط باشیم تا نتایج خود را بیش از حد بزرگ‌نمایی نکنیم. توسعه، اعتبارسنجی و در نهایت رساندن این فناوری‌های جدید به عرصه بالینی سال‌ها زمان می‌برد. پژوهش ما تنها سهم کوچکی در مطالعه چگونگی پیر شدن ما و جست‌وجوی راهبردهایی دارد که بتوانند به پیری سالم‌تر کمک کنند.»