Lo strumento ChromAgeNet ha decifrato l’architettura della cromatina, la struttura 3D del DNA nel nucleo, distinguendo cellule staminali del sangue giovani da quelle invecchiate. La scoperta apre la strada a nuove ricerche sul ringiovanimento cellulare.
L'invecchiamento erode lentamente la capacità dell'organismo di rigenerarsi, compromettendo in modo significativo la produzione delle cellule del sangue. In questa corsa contro l'orologio biologico, analizzare le alterazioni delle cellule staminali del sangue è fondamentale per aprire la strada a interventi in grado di rallentarne il declino e restituire loro la funzione originaria.
PUBBLICITÀ
PUBBLICITÀ
Un gruppo di ricercatori di Barcellona ha sviluppato ChromAgeNet, uno strumento di intelligenza artificiale che rileva l'invecchiamento delle cellule staminali del sangue analizzando la struttura tridimensionale del loro DNA.
Pubblicato sulla rivista "Aging Cell", lo studio, guidato dalle dottoresse Maria Carolina Florian (IDIBELL) e Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), dimostra che l'organizzazione della cromatina contiene informazioni che permettono di distinguere cellule provenienti da topi giovani e anziani.
Un ponte tra biomedicina e supercalcolo
Per addestrare il modello, le ricercatrici hanno applicato reti neurali convoluzionali a immagini 3D dei nuclei di cellule staminali di topo (fonte in spagnolo). ChromAgeNet utilizza reti neurali per decifrare l'invecchiamento del DNA. L'IA consente di individuare variazioni strutturali sottili, impercettibili all'occhio umano.
Uno dei principali timori legati all'uso di reti neurali in biomedicina è non sapere su quali elementi si basino per prendere decisioni. ChromAgeNet supera questa barriera offrendo un'IA esplicabile (XAI).
In media, lo strumento è riuscito a classificare correttamente circa il 68% delle cellule come provenienti da topi giovani o anziani, a partire da immagini ottenute con DAPI, una colorazione standard e a basso costo.
Inoltre, ChromAgeNet si distingue per essere un'IA esplicabile, il che permette di studiare quali caratteristiche delle immagini contribuiscono alle sue previsioni. Queste analisi hanno evidenziato, tra le altre regioni, cambiamenti nella periferia del nucleo associati all'invecchiamento.
Dalle analisi è emerso che la cromatina è compatta e organizzata ai bordi del nucleo delle cellule giovani, mentre nelle cellule invecchiate appare più dispersa. Come prova di concetto, lo strumento valuta come alcuni farmaci epigenetici (fonte in spagnolo) producano cambiamenti nell'organizzazione della cromatina compatibili con schemi più simili a quelli osservati nelle cellule giovani. Ciò evidenzia il potenziale della piattaforma per lo screening di trattamenti in grado di rigenerare il tessuto sanguigno e rafforzare il sistema immunitario. Il codice e la banca dati di immagini sono già a disposizione della comunità scientifica internazionale.
Collaborazione con gruppi di ricerca sull'IA
Per quanto riguarda le applicazioni pratiche di questa ricerca, la dottoressa Maria Carolina Florian, ricercatrice principale all'Istituto di Ricerca Biomedica di Bellvitge (IDIBELL), spiega a "Euronews": "Al momento abbiamo sviluppato uno strumento che funziona come prova di concetto su cellule staminali ematopoietiche murine. Ora stiamo lavorando per ottimizzarlo e adattarlo alle cellule staminali umane, con la speranza di utilizzarlo per valutare nuovi farmaci in grado di agire sull'architettura nucleare e ringiovanire cellule staminali invecchiate".
Maria Carolina Florian racconta a "Euronews" che questo lavoro "ha trovato il terreno ideale per diventare uno strumento concreto grazie all'esperienza della dottoressa Paula Petrone (BSC e ISGlobal). Puntiamo a continuare a svilupparlo ed estenderlo al suo uso su cellule staminali umane. Inoltre stiamo chiedendo ulteriori finanziamenti all'UE e cercando di stabilire contatti con altri scienziati in Europa interessati all'applicazione pratica del nostro lavoro".
Dal canto suo, Paula Petrone ritiene che questa ricerca "dimostra che un algoritmo di apprendimento profondo può distinguere tra cellule staminali giovani e invecchiate attraverso l'analisi di immagini dei nuclei cellulari colorati con una sostanza a basso costo chiamata DAPI".
Mappe 3D e codice aperto per ringiovanire l'architettura cellulare
La mappa interna del nucleo cellulare rivela una firma inconfondibile: durante la gioventù, la cromatina si dispone in modo compatto ai bordi del nucleo; con il passare degli anni, questa architettura si disorganizza. Identificare tali schemi potrebbe aiutare a studiare il deterioramento delle cellule staminali del sangue e a valutare possibili strategie capaci di rigenerare il tessuto ematopoietico e innescare un cambiamento nell'organismo.
Per dimostrare il potenziale pratico dell'algoritmo, il team ha progettato una prova di concetto: ha applicato lo strumento a cellule invecchiate esposte a diversi farmaci epigenetici. L'obiettivo era verificare se le molecole fossero in grado di produrre cambiamenti nell'organizzazione della cromatina compatibili con uno stato più giovane.
Per accelerare nuove scoperte, il team ha reso pubblico il codice dello strumento e ha creato una banca dati accessibile con immagini 3D di cellule staminali, con l'obiettivo di individuare farmaci che rafforzino il sistema immunitario e la qualità della vita in età avanzata.
Numerosi studi internazionali confermano il ruolo fondamentale del sistema immunitario nell'invecchiamento dell'organismo, come sottolinea Maria Carolina Florian: "Nel nostro laboratorio abbiamo contribuito dimostrando la possibilità di stimolare e ringiovanire le cellule staminali ematopoietiche invecchiate per migliorare non solo la funzione del sistema immunitario, ma anche l'aspettativa di vita e la salute dell'organismo nel suo complesso".
Promessa a lungo termine, prudenza nel presente: la scienza dietro ChromAgeNet invita alla cautela
La nuova piattaforma ChromAgeNet aiuterà a comprendere i meccanismi molecolari di base coinvolti nell'invecchiamento delle cellule staminali ematopoietiche, che possono diventare oggetto di terapie mirate al loro ringiovanimento. "Speriamo di ampliare le nostre conoscenze, consolidare i risultati e identificare nuovi strumenti e farmaci per migliorare la funzione delle cellule staminali ematopoietiche invecchiate", conclude la ricercatrice Florian.
"In futuro, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per lo screening di nuovi farmaci con potenziale ringiovanente. In questo modo, trattando cellule invecchiate con diversi composti candidati, l'IA potrebbe individuare, attraverso l'analisi delle immagini, quelli che producono cambiamenti compatibili con uno stato più giovane", spiega a "Euronews" Paula Petrone.
Per la dottoressa Petrone, "prolungare l'aspettativa di vita non è tanto importante quanto prolungare l'aspettativa di vita in buona salute. La scoperta di nuovi farmaci con potenziale ringiovanente potrebbe contribuire, ad esempio, a migliorare l'invecchiamento del sistema immunitario e favorire così un invecchiamento più sano".
La ricercatrice, tuttavia, insiste su "Euronews" sulla necessità di mantenere la prudenza: "Dobbiamo essere molto cauti per non sopravvalutare i nostri risultati. Lo sviluppo, la validazione e l'eventuale trasferimento in clinica di queste nuove tecnologie richiedono anni. La nostra ricerca aggiunge solo un piccolo tassello allo studio di come invecchiamo e alla ricerca di strategie che possano favorire un invecchiamento sano"