Lo strumento ChromAgeNet ha decifrato l'architettura della cromatina, la struttura 3D del DNA nel nucleo, distinguendo cellule staminali del sangue giovani e vecchie. La scoperta apre nuove vie di ricerca sul ringiovanimento cellulare.
L'invecchiamento erode gradualmente la capacità dell'organismo di rigenerarsi, compromettendo gravemente la produzione di cellule del sangue. In questa corsa contro il tempo biologico, analizzare le alterazioni delle cellule staminali del sangue è cruciale per aprire la strada a interventi in grado di rallentarne il declino e restituire loro la funzione originaria.
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Un team scientifico 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.
Pubblicata sulla rivista 'Aging Cell', la ricerca, guidata 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 di nuclei di cellule staminali di topo (fonte in spagnolo). ChromAgeNet si affida a reti neurali per decifrare l'invecchiamento del DNA. L'IA permette di rilevare variazioni strutturali sottili, impercettibili all'occhio umano.
Uno dei timori maggiori nell'uso di reti neurali in biomedicina è non sapere su quali elementi si basano per prendere decisioni. ChromAgeNet supera questa barriera offrendo una intelligenza artificiale spiegabile (XAI).
Lo strumento è riuscito a classificare correttamente, in media, circa il 68 % delle cellule come provenienti da topi giovani o anziani, partendo da immagini ottenute con il DAPI, una colorazione standard e a basso costo.
Inoltre, ChromAgeNet si distingue per essere una IA spiegabile, il che permette di indagare quali caratteristiche delle immagini contribuiscono alle sue previsioni. Queste analisi hanno evidenziato, tra altre regioni, cambiamenti nella periferia del nucleo associati all'invecchiamento.
Le analisi hanno mostrato che la cromatina appare compatta e organizzata ai bordi del nucleo delle cellule giovani, mentre in quelle invecchiate risulta 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, mostrando il potenziale dello strumento per il screening di trattamenti che possano rigenerare il tessuto sanguigno e rafforzare il sistema immunitario. Il codice e il database di immagini sono già a disposizione della comunità scientifica internazionale.
Collaborazione con gruppi di ricerca in 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 a cellule staminali umane, con la speranza di utilizzarlo per valutare nuovi farmaci che possano agire sull'architettura nucleare e ringiovanire cellule staminali invecchiate".
Maria Carolina Florian spiega a 'Euronews' che questo lavoro "ha trovato il terreno ideale per diventare uno strumento reale grazie all'esperienza della dott.ssa Paula Petrone (BSC e ISGlobal). Pianifichiamo di continuare a svilupparlo e ampliarlo per l'uso con 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".
Da parte sua, 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: in giovane età, la cromatina si dispone in maniera compatta ai bordi del nucleo; con il passare degli anni, questa architettura si disorganizza. Identificare questi schemi potrebbe aiutare a studiare il deterioramento delle cellule staminali del sangue e a valutare possibili strategie in grado di rigenerare il tessuto ematopoietico e provocare 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? 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 una base di dati aperta con immagini 3D di cellule staminali, con l'obiettivo di individuare farmaci che rafforzino il sistema immunitario e la qualità della vita nella vecchiaia.
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 insieme".
Promessa a lungo termine, prudenza nel presente: la scienza dietro ChromAgeNet invita alla cautela
Il nuovo strumento ChromAgeNet contribuirà a comprendere i meccanismi molecolari di base coinvolti nell'invecchiamento delle cellule staminali ematopoietiche, che possono essere oggetto di terapie mirate al loro ringiovanimento. "Speriamo di ampliare le nostre conoscenze, consolidare i risultati e identificare nuove tecnologie e nuovi farmaci per migliorare la funzione delle cellule staminali ematopoietiche invecchiate", conclude la ricercatrice Florian.
"In futuro, questa tecnica potrebbe essere utilizzata per il screening di nuovi farmaci con potenziale ringiovanente. In questo modo, trattando cellule invecchiate con diversi composti candidati, l'IA potrebbe individuare, tramite l'analisi di queste immagini, quelli che producono cambiamenti compatibili con uno stato più giovane", afferma a 'Euronews' Paula Petrone.
Per la dottoressa Petrone, "prolungare l'aspettativa di vita non è così importante quanto prolungare l'aspettativa di vita in buona salute. La scoperta di nuovi farmaci con potenziale ringiovanente potrebbe contribuire, per esempio, a migliorare l'invecchiamento del sistema immunitario e favorire così un invecchiamento più sano".
La ricercatrice, tuttavia, insiste a 'Euronews' sulla necessità di mantenere la prudenza: "Dobbiamo essere molto cauti per non sopravvalutare i nostri risultati. Queste nuove tecnologie richiedono anni per essere sviluppate, validate e, eventualmente, arrivare alla pratica clinica. La nostra ricerca apporta solo un piccolo contributo allo studio di come invecchiamo e alla ricerca di strategie che possano favorire un invecchiamento sano".