A ferramenta ChromAgeNet decifrou a arquitetura da cromatina, a organização 3D do ADN no núcleo, e distingue células estaminais sanguíneas jovens das envelhecidas. O estudo abre novas vias de investigação em 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 devolvam 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 ao analisar a estrutura tridimensional do seu ADN.
Publicada na revista “Aging Cell”, a investigação, liderada pelas doutoras Maria Carolina Florian (IDIBELL) e Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), demonstra que a organização da cromatina encerra informação que permite distinguir células obtidas 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 ratinho (fonte em espanhol). A ChromAgeNet recorre a redes neuronais para decifrar o envelhecimento do ADN. A IA permite detetar variações estruturais subtis que passam despercebidas 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 destaca-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, para 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 dispersa. Como prova de conceito, a ferramenta avalia de que forma certos fármacos epigenéticos (fonte em espanhol) produzem alterações na organização da cromatina compatíveis com padrões mais semelhantes aos observados em células jovens, o que evidencia 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 de ratinho. Agora estamos a trabalhar para a otimizar e adaptar a células estaminais humanas, com a esperança de a utilizar para avaliar novos fármacos que possam atuar sobre a arquitetura nuclear e ser usados para rejuvenescer células estaminais envelhecidas”.
Maria Carolina Florian explica 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 alargá-la para utilização com 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 “demonstra que um algoritmo de aprendizagem profunda pode distinguir entre células estaminais jovens e envelhecidas através da análise de imagens de núcleos celulares corados 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 adensa-se de forma compacta nos bordos do núcleo; com o passar dos anos, essa arquitetura desorganiza-se. Identificar estes padrões pode ajudar a estudar a degradação 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? Verificar se as 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 o objetivo de encontrar fármacos que reforcem o sistema imunitário e a qualidade de vida na velhice.
Numerosos estudos internacionais sustentam o 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 por trás da ChromAgeNet pede cautela
A nova ferramenta ChromAgeNet ajudará a compreender os mecanismos moleculares básicos implicados no envelhecimento das células estaminais hematopoiéticas, que podem ser alvo de terapias de rejuvenescimento. “Esperamos ampliar o nosso conhecimento, consolidar os 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. Deste modo, 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 dra. 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 poderia contribuir, por exemplo, para melhorar o envelhecimento do sistema imunitário e favorecer, assim, um envelhecimento mais saudável”.
A investigadora, no entanto, insiste, em declarações à “Euronews”, na necessidade de manter a prudência: “Temos de ser muito cautelosos para não sobrestimar os nossos resultados. Estas novas tecnologias demoram anos a desenvolver-se, a ser validadas e, eventualmente, a chegar à clínica. A nossa investigação acrescenta apenas um pequeno contributo ao estudo de como envelhecemos e à procura de estratégias que possam favorecer um envelhecimento saudável”