כלי חישוב חדשני מסייע למדענים לאתר סוגי תאים נסתרים מאחורי מחלה

תאים ברחבי הגוף עובדים יחד כמו זמרים במקהלה כדי לשמור על בריאותנו, כל עוד הם עובדים בהרמוניה מושלמת. אם תאים כלשהם אינם מפתח, ניתן להפריע להרמוניה, עם השפעות מרחיקות לכת על פני הגוף. על ידי הצבת התאים הלא -מתואמים, מדענים עשויים להיות מסוגלים ללמוד כיצד להחזיר אותם לכוונון ולהחזיר את הבריאות.

בהשתתפות השראה מאותה מטאפורה מוזיקלית, צוות חוקרים ב- Gladstone Institutes הוציא כלי חישוב חדש בשם מקהלה שיכול לשפר את גילוי תאי המפתח. מקהלה, קיצור של "אופטימיזציה של היררכיית אשכולות על ידי יערות אקראיים איטרטיביים", מסווגת אלפים או אפילו מיליוני תאים לקבוצות נפרדות ומובחנות מבחינה ביולוגית, ועוזרת הביתה בסוגי תאים ספציפיים או מצבים העשויים לבסס מחלה.

"מה שמרגש במקהלה הוא שזה פותר כמה ממגבלות המפתח של הכלים הקיימים", אומר חוקר גלדסטון, ראיין קורס, דוקטורט, מחבר בכיר במחקר חדש שפורסם גנטיקה של טבע שמציגה מקהלה. "זה יכול לזהות בצורה מדויקת יותר סוגי תאים נדירים, תוך הימנעות מהנטייה של כלים אחרים" להזיות "סוגי תאים שאינם נבדלים זה מזה ביולוגית."

בעזרת כלי חדש זה, אנו יכולים לאתר תאים המקדמים בריאות או מחלה ואולי לא נחשפו אחרת. תובנה עמוקה זו מאפשרת לנו למקד חקירות והתערבויות טיפוליות ביעדים המבטיחים ביותר. "

לנרט מוקק, ד"ר, מנהל מכון גלדסטון למחלות נוירולוגיות ומחבר משותף למחקר

להגיע לאמת הביולוגית

מקהלה נבעה מהכרח. קתרין סנט, דוקטורט, כיום מלומדת פוסט -דוקטורט בגלדסטון, החלה לעבוד על פרויקט זה כסטודנטית לתואר שני במעבדה של מוקק.

באותה תקופה היא למדה מחלת אלצהיימר ולמדה כיצד לנתח נתונים שנוצרו על ידי טכנולוגיות רצף חד-תאי. שיטות כאלה לוכדות את הזהויות הביולוגיות המובחנות או המצבים של תאים בכל חיפוש דגימות ברקמות נתונות, למשל, אילו גנים מופעלים או כבויים, או אילו חלבונים קיימים על משטחי תאים.

סנט רצה לחקור את סוגי התאים או המדינות השונות שעלולות להיות מעורבות באלצהיימר. לשם כך, היא הייתה זקוקה לשיטה סטטיסטית שתעזור לה למיין את נתוני התאים היחידים שלה על ידי קיבוץ התאים לאשכולות מובחנים מבחינה ביולוגית-מכיוון שזמרים במקהלה עשויים להיות מקובצים לסופרנוס, אלטו או בריטונים.

היא שקלה מגוון כלים קיימים המיועדים לפרויקטים כמו שלה. אבל אף אחד לא נראה די בסדר.

"נדהמתי ממספר ההחלטות השרירותיות שחלק מהכלים דורשים מדענים לקבל, ועל ידי כך שההחלטות הללו יכולות להציג הטיה אישית או להגביל אותך לידע ביולוגי קיים להפחתת הפוטנציאל לגילוי חדשני", אומר סנט, שהוביל את התפתחות המקהלה והיא מחברת ראשונה של המחקר החדש. "זה הרגיש יותר כמו הרפתקאות בחירה משלך מאשר ממש להגיע לאמת הביולוגית במערך הנתונים."

אז, סנט התכוון למצוא דרך טובה יותר לחשוף את האמת הזו. היא פנתה לקורס, שרק התחיל את המעבדה שלו בגלדסטון, כדי למנף את מומחיותו בשיטות חישוביות, תוך הקשה על הידע הנרחב של מוקק על מחלות ניווניות.

יחד, המדענים פיתחו שיטה ידידותית למשתמש הנשענת על מסגרת סטטיסטית בלתי משוחדת ולא על אינטואיציה. התוצאה היא מקהלה, כלי זמין בחופשיות שניתן ליישם על פני סוגי רקמות שונים מבני אדם ומודלים ניסיוניים כדי לזהות קבוצות משמעותיות של תאים או תנאי תאים.

"מאות אנשים הורידו מקהלה מאז שהפכנו אותה לראשונה לרשת בפורמט מקדים לפני כשנה", אומר סנט. "זה היה משמח לראות את הדרכים היצירתיות הרבות בהן מדענים כבר משתמשים בכלי בתחומים מגוונים, כולל מדעי המוח ואימונולוגיה, כמו גם מחקר לב וכלי דם וסרטן."

כלי עם מעקות חשובים

כמרכיב מרכזי בתכנון שלה, מקהלה משלבת שיטת למידת מכונה המאפשרת למדענים להשתמש בה לנתונים המיוצרים על ידי כל שיטת ניתוח תאים יחיד, כולל אלה המתמקדים ב- RNA, DNA או חלבונים.

למקהלה יש גם מעקות מובנים כדי להימנע ממלכודות של כלים אחרים. לדוגמה, IT אמצעי אמצעי מפני תת -קרקע, שבהם מקובצים בטעות סוגי תאים מובחנים מבחינה ביולוגית, ומונעת גם את הסתגלות, שיכולה לשלוח חוקר על מרדף אווז פראי על ידי זיהוי סוגי תאים כמובחנים כאשר הם לא.

בנוסף, בניגוד לכלים אחרים המניחים סוגי תאים שונים מתרחשים באשכולות בגודל דומה, המקהלה לוקחת בחשבון את מה שקורה בפועל בגוף, המורכב מאוכלוסיות תאים שהגדלים שלהם נעים בין שופעים לנדירים.

"המקהלה מצטיינת בקיבוץ סוגי תאים נפוצים לאשכולות גדולים ומגובשים ובמקביל מצביעים על אוכלוסיות תאים נדירות-המחטים בערימת חציר", אומר סנט.

יחד, תכונות אלה מאפשרות למקהלה לאתר ולגלות באופן אמין סוגי תאים או מצבים שעשויים להיות חשובים לאבחון, טיפול ומניעת מחלות.

המקהלה עוברת את הבמה

כדי לאשר את יכולותיה של המקהלה, סנט ועמיתיה בדקו אותה במגוון סוגים של סוגי נתונים יחידים הכוללים שילובים של סוגי נתונים מרובים-ומגוון דגימות ביולוגיות, כולל תאי מוח, דם ותאי סרטן. כאשר הוגדרו כנגד כלים אחרים לניתוח נתוני תאים יחיד, המקהלה ביצעה את 15 מהפופולריות ביותר, וזיהה סוגי תאים מובחנים שכלים אחרים פספסו.

"ללא קשר לסוג הרקמות שבדקנו, המקהלה ביצעה טוב יותר משיטות אחרות, אפילו בלי שום ציוץ להגדרות ברירת המחדל שלה", אומר קורס. "היכולת להסתמך על ברירות המחדל הללו נמנעת מהטיות פוטנציאליות שניתן להציג כאשר החוקרים נדרשים לצבוט הגדרות על סמך האינטואיציה האישית שלהם. זה באמת חשוב לתקינה ולהבטיח שממצאי מחקר הם קפדניים וניתנים לשחזור בין מעבדות."

כעת, מצויד במקהלה, סנט נוקט גישה חדשה למחקר של אלצהיימר. היא ועמיתיה משתמשים בזה כדי להתקרב לסוגים ספציפיים של תאי מוח לאחר הפחתת רמות האסטרטגיה של חלבון טאו-א ', שנבדקה כטיפול פוטנציאלי למחלה. הם גם משתמשים במקהלה כדי לנתח מערך נתונים של אלצהיימר הכולל נתוני תאים יחידים ממיליוני תאים מדגימות רקמות אנושיות.

בינתיים, מעבדות אחרות בגלדסטון כבר מיישמות מקהלה כדי ללמוד את המוח, את הלב ואת מערכת החיסון. "חוקרים רבים משתמשים בנתוני תאים יחידים בימינו והמקהלה חלה על פני מחקרים רבים", אומר מוקק. "אנו מקווים כי כלי המחקר החדש והחזק הזה יקדם תחומים מגוונים של מדע וביו -רפואה."