Un nou cadru AI cartografiază daunele obezității sistemice la nivel celular
Cercetătorii de la Helmholtz Munich, Universitatea Ludwig Maximilians din München (LMU) și instituțiile colaboratoare au dezvoltat un cadru de inteligență artificială (AI) care mapează modificările legate de boli în întregul corp al șoarecilor la o rezoluție celulară.
Noua platformă, denumită MouseMapper, a dezvăluit o inflamație extinsă și daune anterior neidentificate ale nervilor senzoriali faciali cauzate de obezitate. Este important de menționat că au fost identificate semnături moleculare corespunzătoare în țesutul uman, sugerând că trăsăturile cheie ale daunelor nervoase asociate obezității sunt conservate între specii. Rezultatele au fost publicate astăzi în jurnalul Nature.
Obezitatea afectează mult mai mult decât metabolismul și stocarea grăsimilor. Aceasta alterează activitatea imunității, structura nervilor și organizarea țesuturilor în multiple sisteme de organe, crescând riscul de boli precum diabetul de tip 2, boli cardiovasculare, accidente vasculare cerebrale, neuropatie și cancer. Cu toate acestea, în ciuda acestor efecte sistemice, cercetătorii nu au avut la dispoziție instrumente capabile să studieze modificările asociate bolii în întregul organism, în organisme intacte și la o rezoluție înaltă.
O echipă condusă de Prof. Ali Ertürk, director al Institutului pentru Inteligență Biologică (iBIO) de la Helmholtz Munich și profesor la LMU, a dezvoltat MouseMapper, un set de algoritmi de învățare profundă bazat pe un model de bază, destinat analizei datelor de imagistică biologică a întregului corp. Acest cadru segmentează automat 31 de organe și tipuri de țesuturi, cartografiind cantitativ nervii și celulele imune din întregul corp, permițând o analiză cuprinzătoare a sistemelor multiple în șoareci intacti.
MouseMapper este construit pe baza unui model fundamental, ceea ce înseamnă că generalizează mult dincolo de datele pe care a fost inițial antrenat.
Pentru a crea hărți ale întregului corp, cercetătorii au etichetat nervii și celulele imune din șoareci cu markeri fluorescenți vizibili la microscop. Apoi, au aplicat tehnici de curățare a țesutului pentru a face animalele transparente, păstrând în același timp semnalele fluorescente, permițând imagistica profund în interiorul corpurilor intacte.
Folosind microscopie cu foaie de lumină specializată, echipa a capturat imagini tridimensionale detaliate ale întregilor șoareci, producând seturi de date care conțin zeci de milioane de structuri celulare din organe și țesuturi. MouseMapper a analizat apoi automat aceste date, identificând nervii, grupurile de celule imune și regiunile anatomice din întregul corp.
Aceasta a permis cercetătorilor să determine cu precizie unde au loc inflamația și daunele structurale în diferite țesuturi – inclusiv grăsime, mușchi, ficat și nervi periferici – fără a necesita ca cercetătorii să preselecteze regiunile specifice de interes.
Pentru a investiga modul în care obezitatea remodela corpul, cercetătorii au hrănit șoareci cu o dietă bogată în grăsimi, care a indus obezitate și disfuncție metabolică similară cu cea observată la oameni. Aplicarea MouseMapper a relevat modificări extinse atât în organizarea celulelor imune, cât și în arhitectura nervoasă din întregul corp.
Una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri a fost o modificare structurală a unei părți a nervului trigeminal, un nerv facial major responsabil pentru senzația facială și funcțiile motorii. La șoarecii obezi, acești nervi senzoriali aveau mult mai puține terminații și ramuri, sugerând o pierdere a funcției nervoase normale. Experimentele comportamentale au arătat că animalele au răspuns mai puțin la stimularea senzorială decât șoarecii slabi, corelând daunele structurale cu o funcție senzorială afectată.
Cercetătorii au examinat apoi ganglionul trigeminal, structura care conține corpurile celulare ale neuronilor senzoriali faciali. Folosind proteomica spațială, au identificat modificări moleculare asociate cu remodelarea nervoasă și inflamația. Remarcabil, multe dintre aceleași semnături moleculare au fost de asemenea detectate în țesutul trigeminal al persoanelor cu obezitate, sugerând că modificările nervoase asociate cu obezitatea observate la șoareci au loc și la oameni.
„Am dezvăluit schimbări structurale și moleculare anterior necunoscute în ganglionul trigeminal și ramurile sale faciale, iar aceeași semnătură moleculară a fost conservată în țesutul uman. Acest tip de descoperire pur și simplu nu poate apărea din studiul unui singur organ deodată”, afirmă Dr. Doris Kaltenecker.
Pe lângă obezitate, cercetătorii consideră că MouseMapper ar putea transforma studiul bolilor complexe care afectează simultan mai multe sisteme de organe, inclusiv diabetul, cancerul, neurodegenerarea și tulburările autoimune. Spre deosebire de metodele anterioare axate pe organe sau țesuturi selectate, MouseMapper oferă o platformă integrată de analiză a întregului corp capabilă să identifice „punctele fierbinți” ale bolii din întregul organism.
Echipa a făcut disponibile online seturi de date ale întregului corp, permițând cercetătorilor din întreaga lume să exploreze modificările asociate obezității în diferite țesuturi și sisteme de organe.
„Scopul nostru este de a crea un cadru cuprinzător pentru a înțelege modul în care bolile afectează corpul ca un sistem interconectat”, afirmă Ali Ertürk. „Viziunea noastră pe termen lung este de a construi gemeni digitali realiști ai șoarecilor în sănătate și boală: atlase la nivel celular pe care le putem interoga, perturba și analiza computațional în silico. Acest lucru ne-ar permite să identificăm cele mai timpurii schimbări pe care o boală le cauzează, să proiectăm intervenții pentru a le preveni și să accelerăm descoperirea de noi tratamente, reducând în același timp numărul de experimente fizice pe care trebuie să le desfășurăm.”
