Ferramenta ChromAgeNet decifra a arquitetura da cromatina, organização tridimensional do ADN, e distingue células estaminais sanguíneas jovens de envelhecidas, abrindo novas vias de investigação para o rejuvenescimento celular
O envelhecimento corrói de forma gradual a capacidade do organismo para se regenerar, afetando gravemente a produção de células sanguíneas. Nesta corrida contra o relógio biológico, analisar as alterações das células estaminais do sangue é crucial para abrir caminho a intervenções que travem o seu declínio e lhes restituam a função original.
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Uma equipa científica de Barcelona desenvolveu a ChromAgeNet, uma ferramenta de inteligência artificial que deteta o envelhecimento das células estaminais sanguíneas através da análise da estrutura tridimensional do seu ADN.
Publicado na revista “Aging Cell”, o estudo, liderado pelas doutoras Maria Carolina Florian (IDIBELL) e Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), mostra que a organização da cromatina contém informação que permite distinguir células provenientes de ratinhos jovens e envelhecidos.
Ponte entre biomedicina e supercomputação
Para treinar o modelo, as investigadoras aplicaram redes neuronais convolucionais a imagens 3D de núcleos de células estaminais de rato (fonte em espanhol). A ChromAgeNet recorre a redes neuronais para descodificar o envelhecimento do ADN. A IA permite detetar variações estruturais subtis, impercetíveis ao olho humano.
Um dos principais receios na utilização de redes neuronais em biomedicina é não saber em que se baseiam para tomar decisões. A ChromAgeNet ultrapassa essa barreira ao oferecer uma IA explicável (XAI).
A ferramenta conseguiu classificar corretamente, em média, cerca de 68 % das células como provenientes de ratinhos jovens ou envelhecidos, a partir de imagens obtidas com DAPI, uma coloração padrão e de baixo custo.
Além disso, a ChromAgeNet distingue-se por ser uma IA explicável, o que permite investigar que características das imagens contribuem para as suas previsões. Estas análises apontaram, entre outras regiões, alterações na periferia do núcleo associadas ao envelhecimento.
As análises mostraram que a cromatina surge compacta e organizada nos bordos do núcleo das células jovens, enquanto nas envelhecidas aparece mais dispersa. Como prova de conceito, a ferramenta avalia de que forma determinados fármacos epigenéticos (fonte em espanhol) produzem alterações na organização da cromatina compatíveis com padrões mais semelhantes aos observados em células jovens, evidenciando o potencial da ferramenta para o rastreio de tratamentos capazes de regenerar o tecido sanguíneo e reforçar o sistema imunitário. O código e a base de dados de imagens já estão à disposição da comunidade científica internacional.
Colaboração com equipas de investigação em IA
Quanto às aplicações práticas que esta investigação pode ter, a doutora Maria Carolina Florian, investigadora principal no Instituto de Investigação Biomédica de Bellvitge (IDIBELL), explica à “Euronews”: “Atualmente, desenvolvemos uma ferramenta que funciona como prova de conceito em células estaminais hematopoiéticas murinas. Estamos agora a trabalhar para a otimizar e adaptá-la a células estaminais humanas, com a esperança de a utilizar para avaliar novos fármacos que possam atuar sobre a arquitetura nuclear e servir para rejuvenescer células estaminais envelhecidas”.
Maria Carolina Florian acrescenta à “Euronews” que este trabalho “encontrou o terreno ideal para se transformar numa ferramenta real graças à experiência da dra. Paula Petrone (BSC e ISGlobal). Planeamos continuar a desenvolvê-la e a ampliá-la para utilização em células estaminais humanas. Além disso, estamos a solicitar mais financiamento à UE e a tentar estabelecer contactos com outros cientistas na Europa interessados na aplicação prática do nosso trabalho”.
Por seu lado, Paula Petrone considera que esta investigação “estabelece que um algoritmo de aprendizagem profunda pode distinguir entre células estaminais jovens e envelhecidas através da análise de imagens de núcleos celulares marcados com uma substância de baixo custo chamada DAPI”.
Mapas 3D e código aberto para rejuvenescer a arquitetura celular
O mapa interno do núcleo celular revela uma assinatura inconfundível: na juventude, a cromatina concentra-se de forma compacta nos bordos do núcleo; com o passar dos anos, essa arquitetura desorganiza-se. Identificar estes padrões pode ajudar a estudar o deterioramento das células estaminais do sangue e a avaliar possíveis estratégias capazes de regenerar o tecido hematopoiético e provocar uma mudança no organismo.
Para demonstrar o potencial prático do algoritmo, a equipa concebeu uma prova de conceito: aplicou a ferramenta a células envelhecidas expostas a vários fármacos epigenéticos. O objetivo foi verificar se essas moléculas eram capazes de produzir alterações na organização da cromatina compatíveis com um estado mais jovem.
Para acelerar novas descobertas, a equipa disponibilizou o código da ferramenta e uma base de dados pública com imagens 3D de células estaminais, com a vista posta em encontrar fármacos que reforcem o sistema imunitário e a qualidade de vida na velhice.
Diversos estudos internacionais sustentam a evidência do papel fundamental do sistema imunitário no envelhecimento do organismo, como sublinha Maria Carolina Florian: “No nosso laboratório, contribuímos demonstrando a possibilidade de estimular e rejuvenescer células estaminais hematopoiéticas envelhecidas, para melhorar não só a função do sistema imunitário, mas também a esperança de vida e a saúde do organismo no seu conjunto”.
Promessa a longo prazo, prudência no presente: ciência da ChromAgeNet pede cautela
A nova ferramenta ChromAgeNet vai ajudar a compreender os mecanismos moleculares básicos envolvidos no envelhecimento das células estaminais hematopoiéticas, que podem ser alvo de terapias de rejuvenescimento. “Esperamos ampliar o nosso conhecimento, consolidar os nossos resultados e identificar novas ferramentas e fármacos para melhorar a função das células estaminais hematopoiéticas envelhecidas”, conclui a investigadora Florian.
“No futuro, esta técnica poderá ser utilizada para o rastreio de novos fármacos com potencial rejuvenescedor. Desta forma, ao tratar células envelhecidas com diferentes compostos candidatos, a IA poderá identificar, através da análise destas imagens, aqueles que provocam alterações compatíveis com um estado mais jovem”, afirma à “Euronews” Paula Petrone.
Para a doutora Petrone, “prolongar a esperança de vida não é tão importante como prolongar a esperança de vida saudável. A descoberta de novos fármacos com potencial rejuvenescedor poderá contribuir, por exemplo, para melhorar o envelhecimento do sistema imunitário e favorecer assim um envelhecimento mais saudável”.
A investigadora, porém, insiste, em declarações à “Euronews”, na necessidade de manter a cautela: “Temos de ser muito prudentes para não sobrevalorizar os nossos resultados. Estas novas tecnologias levam anos a desenvolver-se, a ser validadas e, eventualmente, a chegar à clínica. A nossa investigação acrescenta apenas um grão de areia ao estudo de como envelhecemos e à procura de estratégias que possam favorecer um envelhecimento saudável”