Первая в своём роде нейронная сеть на основе искусственного интеллекта (ИИ) может быстро анализировать и интерпретировать миллионы клеток из образца пациента, прогнозируя молекулярные изменения в тканях. Она потенциально может определять, где персонализированное лечение может быть наиболее эффективным при таких заболеваниях, как рак.
NicheCompass использует возможности генеративного ИИ для создания визуальной базы данных, объединяющей пространственные геномные данные о типах клеток, местах их локализации и способах взаимодействия. Этот метод, созданный исследователями из Института Wellcome Sanger, Института ИИ для здравоохранения в Мюнхене, Вюрцбургского университета и их коллегами в рамках более широкой инициативы Human Cell Atlas1, является первым методом ИИ, способным измерять и интерпретировать ряд данных из социальной сети клеток для распознавания и анализа различных клеточных сообществ.
В новой статье, опубликованной с18 марта в Nature Genetics, представлен NicheCompass и подробно описано, как он может выявлять изменения в тканях у пациентов с раком молочной железы и лёгких. Исследователи показывают, как NicheCompass может определять, как разные люди могут по-разному реагировать на лечение, — и всё это за один час с помощью искусственного интеллекта. В конечном счёте это поможет разрабатывать персонализированные планы лечения, выявляя конкретные изменения, на которые можно воздействовать при таких заболеваниях, как рак.
Каждая клетка человеческого тела взаимодействует с окружающей средой и участвует в более крупной сети взаимодействий. Все клетки обладают характеристиками, которые позволяют распознавать их как часть коммуникационных сетей, например, по белкам на их поверхности. Можно объединять похожие клетки по их характеристикам. Одноклеточные и пространственные геномные технологии2 произвели революцию в нашем понимании человеческого организма и позволили создать множество подробных клеточных атласов различных тканей и органов.
Эти атласы содержат информацию о множестве типов клеток, о том, где они находятся, и о том, как генетические изменения могут влиять на их взаимодействие друг с другом. Понимание того, как работает человеческий организм на клеточном уровне, может помочь нам понять, что происходит при заболеваниях, и выявить новые цели для разработки лекарств. Хотя эти атласы содержат информацию о том, где находятся клетки и как они взаимодействуют в пределах своих конкретных участков или сетей, сложно количественно оценить и интерпретировать эти участки и понять, что управляет социальными взаимодействиями клеток.
В новой научной работе учёные из Института Сенгера и их коллеги представляют NicheCompass — модель искусственного интеллекта с глубоким обучением, основанную на межклеточной коммуникации. Это означает, что она изучает, как разные клетки взаимодействуют друг с другом через свои сети, а затем сопоставляет их с аналогичными сетями клеток, создавая соседей внутри тканей на основе общих признаков.
Благодаря этому NicheCompass может интерпретировать данные, позволяя исследователям и врачам задавать вопросы о данных и лучше понимать состояние здоровья. Например: "Как раковые клетки взаимодействуют с окружающей средой у пациентов с раком лёгких?". Используя NicheCompass, исследователи объединили данные 10 пациентов с раком лёгких и смогли выявить сходства и различия между ними. Сходства помогают нам лучше понять рак в целом, а также выявить любые изменения в транскрипции, на которые можно было бы ориентироваться при разработке новых методов лечения. В свою очередь, различия указывают на новые возможности для персонализированной медицины. Можно добавить дополнительные данные о пациенте, чтобы врачи могли вводить собственные данные о пациентах и за час получать подробную информацию об отдельном заболевании, которая поможет принимать клинические решения.
Команда также использовала NicheCompass для анализа тканей молочной железы, поражённых раком, и продемонстрировала его эффективность при различных типах рака. Они также применили эту сеть к пространственному атласу мозга мыши, состоящему из 8,4 миллиона клеток, и она смогла быстро и точно идентифицировать участки мозга и создать визуальный ресурс для всего органа. Это демонстрирует, как её можно применять к пространственным атласам целых органов, созданным исследователями по всему миру.
Наличие огромного количества данных о человеческом организме имеет решающее значение для поиска новых способов понимания, профилактики и лечения заболеваний. Однако нам также нужны инструменты, которые позволят нам получить доступ ко всем преимуществам, которые может дать эта информация. NicheCompass — это значительный шаг вперёд в этой области, использующий возможности искусственного интеллекта, но также обеспечивающий интерпретируемость, что позволяет исследователям и врачам задавать вопросы о своих данных и лучше понимать и лечить заболевания.
Себастьян Бирк, первый автор исследования из Института искусственного интеллекта для здравоохранения Мюнхенского университета имени Гельмгольца и Института Wellcome Sanger
Доктор Карлос Талавера-Лопес, соавтор исследования из Вюрцбургского университета добавил, что с помощью NicheCompass исследователи смогли увидеть различия в том, как иммунные клетки взаимодействуют с опухолями рака лёгких у пациентов. Это практическое применение не только позволило получить новую информацию, которая дополняет наше общее представление о раке, но и выявило одного пациента, у которого рак по-другому взаимодействовал с иммунной системой. В будущем NicheCompass может помочь найти новые способы использования иммунной системы при лечении некоторых видов рака, создавая персонализированные методы лечения, которые позволяют иммунной системе пациента напрямую воздействовать на механизмы рака".
Доктор Мохаммад Лотфоллахи, соавтор исследования из Института Wellcome Sanger уточнил, что люди часто делятся в своих социальных сетях самой разной информацией. Они могут делиться новостями с работы или фотографиями с отпуска, и хотя это могут быть разные друзья, все они могут быть связаны с одним человеком. Он пояснил, что межклеточная коммуникация похожа на этот процесс: клетки могут использовать разные функции для общения со своей социальной сетью, создавая сообщества или сети в своём регионе. В результате NicheCompass — это первая в своём роде модель искусственного интеллекта, которая может интерпретировать эти сети и отвечать на вопросы, которые могут напрямую повлиять на жизнь пациентов, например, показывая, где и как возникли проблемы со здоровьем, и прогнозируя, как они могут отреагировать на определённые методы лечения.
"Таинственная популяция" предков человека улучшила работу мозга.
Фото:pxhere.com; Wellcome Sanger Institute
Обсуждение ( 0 ) Посмотреть все