Ερευνητές από το Helmholtz Munich, το Πανεπιστήμιο Ludwig Maximilians του Μονάχου (LMU) και πολλά ιδρύματα-εταίρους έχουν αναπτύξει ένα σύστημα τεχνητής νοημοσύνης (AI) ικανό να χαρτογραφεί αλλαγές που σχετίζονται με ασθένειες σε ολόκληρο το σώμα του ποντικιού με λεπτομέρεια σε κυτταρικό επίπεδο. Χρησιμοποιώντας τη νέα πλατφόρμα που είναι γνωστή ως MouseMapper, η ομάδα ανακάλυψε εκτεταμένη φλεγμονή και άγνωστη μέχρι τώρα νευρική βλάβη που σχετίζεται με την παχυσαρκία.
Η μελέτη εντόπισε επίσης παρόμοια μοριακά μοτίβα στον ανθρώπινο ιστό, υποδηλώνοντας ότι σημαντικές πτυχές της νευρικής βλάβης που σχετίζεται με την παχυσαρκία μπορεί να εμφανιστούν τόσο σε ποντίκια όσο και σε ανθρώπους. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό η φύση.
Η παχυσαρκία είναι γνωστό ότι επηρεάζει πολύ περισσότερο από το σωματικό βάρος και το μεταβολισμό. Μπορεί να αλλάξει την ανοσοποιητική δραστηριότητα, να διαταράξει τη νευρική δομή και να αναδιαμορφώσει τους ιστούς σε όλο το σώμα, αυξάνοντας τον κίνδυνο καταστάσεων όπως ο διαβήτης τύπου 2, οι καρδιαγγειακές παθήσεις, το εγκεφαλικό επεισόδιο, η νευροπάθεια και ο καρκίνος. Παρά αυτές τις ευρείες επιπτώσεις, οι επιστήμονες δεν διαθέτουν εργαλεία ικανά να μελετήσουν τις αλλαγές που σχετίζονται με ασθένειες σε ολόκληρο το άθικτο σώμα με μεγάλη λεπτομέρεια.
Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Ali Erturk, διευθυντή του Ινστιτούτου Βιολογικής Νοημοσύνης του Helmholtz (IBIO) στο Μόναχο και καθηγητή στο LMU, ανέπτυξε το MouseMapper. Το AI Framework Foundation χρησιμοποιεί αλγόριθμους βαθιάς μάθησης που βασίζονται σε μοντέλα για να αναλύσει τεράστια σύνολα δεδομένων απεικόνισης ολόκληρου του σώματος.
Το σύστημα μπορεί αυτόματα να αναγνωρίσει και να τμηματοποιήσει 31 όργανα και τύπους ιστών και να χαρτογραφήσει νευρικά και ανοσοποιητικά κύτταρα σε όλο το σώμα. Αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να εξετάσουν πώς οι ασθένειες επηρεάζουν πολλαπλά συστήματα οργάνων ταυτόχρονα σε άθικτα ποντίκια.
«Ο Χάρτης ποντικιού είναι χτισμένος σε ένα μοντέλο θεμελίωσης, πράγμα που σημαίνει ότι γενικεύει πολύ περισσότερα από τα δεδομένα στα οποία εκπαιδεύτηκε αρχικά», δήλωσε ο Γινγκ Τσεν, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Διαφανή ποντίκια και απεικόνιση ολόκληρου του σώματος
Για να χαρτογραφήσουν το σώμα, οι ερευνητές επισήμαναν πρώτα τα νεύρα και τα ανοσοποιητικά κύτταρα των ποντικών χρησιμοποιώντας φθορίζοντες δείκτες που λάμπουν κάτω από ένα μικροσκόπιο. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μια μέθοδο καθαρισμού ιστών για να κάνουν τα ποντίκια διαφανή διατηρώντας τα φθορίζοντα σήματα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να κοιτάξουν βαθιά μέσα στο σώμα χωρίς να διαχωρίζουν τους ιστούς.
Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε προηγμένη μικροσκοπία φύλλων φωτός για να καταγράψει λεπτομερείς τρισδιάστατες εικόνες ολόκληρου του ποντικιού. Η διαδικασία δημιούργησε τεράστια σύνολα δεδομένων που περιείχαν εκατομμύρια κυτταρικές δομές από όργανα και ιστούς σε όλο το σώμα.
Στη συνέχεια, το MouseMapper αναλύει αυτόματα τις εικόνες, εντοπίζοντας ανατομικές περιοχές, νευρωνικά δίκτυα και ομάδες ανοσοκυττάρων σε όλο το ζώο.
Με αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές μπορούν να εντοπίσουν ακριβώς πού έχει συμβεί φλεγμονή και βλάβη ιστού, όπως λιπώδης ιστός, μυς, ήπαρ και περιφερικά νεύρα. Σε αντίθεση με προηγούμενες μεθόδους, οι επιστήμονες δεν ήταν υποχρεωμένοι να επιλέξουν εκ των προτέρων συγκεκριμένες περιοχές για μελέτη.
Η παχυσαρκία σχετίζεται με βλάβες στα νεύρα του προσώπου
Για να διερευνήσουν πώς η παχυσαρκία αλλάζει το σώμα, οι ερευνητές τάισαν σε ποντίκια μια δίαιτα πλούσια σε λιπαρά που προκάλεσε παχυσαρκία και μεταβολικά προβλήματα παρόμοια με αυτά που παρατηρούνται στους ανθρώπους.
Χρησιμοποιώντας το MouseMapper, η ομάδα βρήκε εκτεταμένες αλλαγές στην οργάνωση των κυττάρων του ανοσοποιητικού και τη νευρική δομή σε όλο το σώμα. Μια από τις πιο εκπληκτικές ανακαλύψεις είναι το τρίδυμο νεύρο, ένα κύριο νεύρο στο πρόσωπο που είναι υπεύθυνο για την αίσθηση του προσώπου και ορισμένες κινητικές λειτουργίες.
Σε παχύσαρκα ποντίκια, αυτά τα αισθητήρια νεύρα παρουσιάζουν μεγαλύτερη μείωση στη διακλάδωση και στις νευρικές απολήξεις, υποδηλώνοντας εξασθενημένη λειτουργία των νεύρων. Πειράματα συμπεριφοράς υποστήριξαν αυτό το συμπέρασμα, δείχνοντας ότι τα παχύσαρκα ποντίκια ήταν λιγότερο ανταποκρινόμενα στα αισθητήρια ερεθίσματα από τα αδύνατα ποντίκια.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές εστίασαν στο τρίδυμο γάγγλιο, το οποίο περιέχει τα κυτταρικά σώματα των αισθητηρίων νευρώνων του προσώπου. Μέσω της χωρικής πρωτεομικής ανάλυσης, εντόπισαν μοριακές αλλαγές που σχετίζονται με τη φλεγμονή και την αναδιαμόρφωση των νεύρων.
Είναι σημαντικό ότι η ίδια μοριακή υπογραφή βρέθηκε επίσης στον ιστό του τριδύμου από παχύσαρκα άτομα. Αυτό υποδηλώνει ότι οι αλλαγές που σχετίζονται με τα νευρικά που παρατηρούνται σε ποντίκια μπορεί να συμβούν και στον άνθρωπο.
“Αποκαλύψαμε προηγουμένως άγνωστες δομικές και μοριακές αλλαγές στο τρίδυμο γάγγλιο και τους κλάδους του προσώπου του, και η ίδια μοριακή υπογραφή διατηρήθηκε στον ανθρώπινο ιστό. Τέτοιες ανακαλύψεις δεν θα μπορούσαν να προκύψουν από τη μελέτη μόνο ενός οργάνου τη φορά”, δήλωσε η Δρ Doris Kaltenecker, ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Διαβήτη και Καρκίνου και η πρώτη συγγραφέας της μελέτης του Muchich.
Ένα νέο εργαλείο για τη μελέτη σύνθετων ασθενειών
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το MouseMapper θα μπορούσε να γίνει ένα σημαντικό εργαλείο για τη μελέτη ασθενειών που επηρεάζουν ταυτόχρονα πολλαπλά συστήματα οργάνων, συμπεριλαμβανομένου του διαβήτη, του καρκίνου, των νευροεκφυλιστικών ασθενειών και των αυτοάνοσων διαταραχών.
Σε αντίθεση με προηγούμενες προσεγγίσεις που επικεντρώνονταν σε μεμονωμένους ιστούς ή όργανα, το MouseMapper παρέχει ένα ολοκληρωμένο σύστημα ανάλυσης ολόκληρου του σώματος που μπορεί να εντοπίσει εστίες ασθενειών σε έναν οργανισμό.
Η ομάδα έχει δημοσιοποιήσει διαδικτυακά σύνολα δεδομένων ολόκληρου του σώματος, ώστε οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο να μπορούν να εξερευνήσουν αλλαγές που σχετίζονται με την παχυσαρκία σε όργανα και ιστούς.
«Στόχος μας είναι να δημιουργήσουμε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι ασθένειες επηρεάζουν το σώμα ως ένα διασυνδεδεμένο σύστημα», δήλωσε ο Ali Erturk. “Το μακροπρόθεσμο όραμά μας είναι να δημιουργήσουμε πραγματικά ρεαλιστικά ψηφιακά δίδυμα ποντικών σε υγεία και ασθένειες: άτλαντες σε επίπεδο κυττάρου που μπορούμε να ανακρίνουμε υπολογιστικά, να διαταράξουμε και να ελέγξουμε σε silico. Αυτό θα μας επιτρέψει να εντοπίσουμε πρώιμες αλλαγές που προκαλούν ασθένειες, να σχεδιάσουμε παρεμβάσεις για την πρόληψη τους και να επιταχύνουμε την ανακάλυψη των αριθμών που χρειαζόμαστε για νέες θεραπείες για φυσικές δοκιμές.”
Η εργασία υποστηρίχθηκε από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ενοποίηση της επιχορήγησης Calvaria στον A. Erturk· επιχορήγηση 949017 στον M. Rohm), το Γερμανικό Ίδρυμα Ερευνών (DFG) στο πλαίσιο της Στρατηγικής Αριστείας της Γερμανίας στο πλαίσιο του Συστήματος Νευρολογίας Συστημάτων του Μονάχου (SyNergy, ID 39085719, SyNergy, ID 39085719, SyNergy, ID 39085719, SyNergy, ID 39085719, ID 33908, ID). 1052 (A9) και TR 296 (P03), Συνεργατικό Ερευνητικό Κέντρο CRC 1744, Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας της Γερμανίας (συνεργασία NATON, 01KX2121, και HIVacToGC), Ίδρυμα Ερευνών για την Αγγειακή Άνοια, Επιχορήγηση Nomis Heart Atlas Project (Nomis Heart Atlas-Kösreung-Elös-El. Edith-Haberland-Wagner Stiftung, το Ίδρυμα Helmut Horten, το EFSD και το Novo Nordisk A/S Program for Diabetes Research in Europe (προς τον D. Kaltenecker) και το China Scholarship Council (προς τον Y. Chen).
