האם בדיקת דם פשוטה יכולה לחשוף עד כמה מישהו מזדקן? צוות חוקרים בראשות וולפרם ווקוורת 'מאוניברסיטת וינה, אוסטריה ואוניברסיטת ננקאי, סין, שילב מטבוליומיקה מתקדמת עם למידת מכונות מתקדמת וכלי דוגמנות רשת חדשני לחשיפת התהליכים המולקולריים העיקריים העומדים בבסיס הזדקנות פעילה. המחקר שלהם, שפורסם בכתב העת Nature Journal NPJ מערכות ביולוגיה ויישומיםמזהה אספרטט כסמן ביולוגי דומיננטי של כושר גופני וממפה את האינטראקציות הדינאמיות התומכות בהזדקנות בריאה יותר.
זה מכבר ידוע כי פעילות גופנית מגנה על הניידות ומורידה את הסיכון למחלות כרוניות. עם זאת, התהליכים המולקולריים המדויקים המתרגמים פעילות גופנית להזדקנות בריאה יותר נותרו מובנים בצורה לא טובה. החוקרים התכוונו לענות על שאלה פשוטה אך עוצמתית: האם אנו יכולים לראות את היתרונות של אורח חיים פעיל אצל אנשים קשישים ישירות בדם – ולהצביע על המולקולות החשובות ביותר?
מבדיקות כושר ועד טביעות אצבעות בדם: מדד פעילות גוף ומדד מטבולומיקה
החוקרים סינתזה תחילה "מדד פעילות גוף" יחיד (BAI) על ידי יישום ניתוח מתאם קנוני על ציונים ממרחק הליכה, בדיקות יו"ר, חוזק אחיזת יד והערכות איזון. מדד ביצוע פיזי מורכב זה לוכד סיבולת, חוזק ותיאום במידה חזקה אחת. באופן עצמאי, "מדד מטבוליומיקה" נגזר מריכוזי הדם של 35 מטבוליטים של מולקולה קטנה. על פני 263 דגימות ממבוגרים מבוגרים, שני מדדים אלה הראו מקדם מתאם של פירסון של 0.85 (p <1 × 10⁻⁻), בהדגמה כי החתימה המולקולרית בדם משקפת את המדד המורכב של הכושר הגופני.
למידת מכונה מדגישה קבוצות פעילות ופחות פעילות ואת חתימתן המטבולית
כדי לתפוס דפוסים מורכבים ולא לינאריים, החוקרים אימנו חמישה מודלים שונים של לימוד מכונות-החל מגישות סטטיסטיות פשוטות (מודל ליניארי כללי, GLM) ועד שיטות מתקדמות יותר כמו עצי החלטה מוגברת (מכונת הגברת שיפוע, GBM; XGBOOST) ורשת אוטומטית של מקודדי סימון עמוק. כל דגם היה מכוון לבדיקות צולבות חוזרות ונשנות (אימות צולב כפול) ונבדק על נתונים עצמאיים כדי להבטיח ביצועים חזקים. שתי שיטות ההגברה (GBM ו- XGBOOST) השיגו דיוק גבוה, והבדילו בין משתתפים 'פעילים' ממשתתפים 'פחות פעילים' ביותר מ- 91% מהמקרים (שטח מתחת לעיקול, AUC> 0.91). בכל חמשת האלגוריתמים, שמונה מטבוליטים הופיעו בעקביות כמנבאים לרמת הפעילות: אספרטט, פרולין, פרוקטוז, חומצה מאלית, פירובט, וולין, ציטראט ואורניטין. ביניהם, אספרטט בלט בגורם של שניים עד שלושה, ומאשר את תפקידה המרכזי כסמן מולקולרי של הזדקנות פעילה.
חיווט מחדש של רשת שנחשף על ידי Covrecon
מתאם בלבד אינו יכול להסביר מדוע מולקולות מסוימות קשורות לכושר. כדי לחשוף את המנגנונים הבסיסיים, הצוות יישם את CovRecon, כלי דוגמנות מונע נתונים. במילים פשוטות, Covrecon בוחן כיצד המטבוליטים משתנים יחד ואז משחזר את רשת האינטראקציות הביוכימיות ביניהם. מבחינה מתמטית, זה כלל הערכת מטריצה של ג'ייקוביאנית דיפרנציאלית – דרך לזהות אילו קשרים אנזימטיים משתנים ביותר בין קבוצות פעילות ופחות פעילות. ניתוח זה חשף שני אנזימים ידועים, Aspartate aminotransferase (AST) ו- Alanine Aminotransferase (ALT), כמרכזי מרכזיים ברשת. שניהם הם סמנים סטנדרטיים בלוחות הכבד הקליניים, אך כאן הם התגלו כאינדיקטורים לאופן בו פעילות מעצבת מחדש את חילוף החומרים. חשוב לציין כי התחזיות אושרו על ידי בדיקות דם שגרתיות: במהלך תקופת המחקר של שישה חודשים, AST ו- ALT השתנו ביתר שאת בקרב משתתפים פעילים מאשר אצל בני גילם הפחות פעילים-מה שמצביע על גמישות מטבולית רבה יותר בתפקוד הכבד והשרירים.
השלכות על בריאות המוח ודמנציה
אספרטט הוא יותר מאשר ביניים מטבוליות פשוטות: במוח הוא משמש גם כמבשר למועברים עצביים, ומפעיל קולטני NMDA החיוניים ללמידה וזיכרון. תפקיד כפול זה מספק קשר אפשרי בין כושר גופני לבריאות קוגניטיבית. מחקרים עצמאיים הראו כי רמות AST ו- ALT נמוכות בחיי אמצע החיים – או יחס AST/ALT מוגבר – קשורים לעלייה בסיכון למחלת אלצהיימר ולירידה קוגניטיבית הקשורה לגיל. על ידי הדגמה כי פעילות גופנית מניעה שינויים דינאמיים במטבוליזם אספרטט ובפלסטיות של שני אנזימים אלה, המחקר הנוכחי מצביע על גשר מולקולרי בין בריאות כבד שרירים לחוסן מוחי. ממצאים אלה מציעים מסר פשוט: פעילות גופנית מסייעת בשימור חוזק וניידות, ועשויה גם לתרום להגנה על המוח מפני דמנציה דרך שינויים מדידים במסלולי איתות מבוססי חומצה אמינו.
פעילות גופנית עושה יותר מאשר בניית מסת שריר. זה חוזר על חילוף החומרים שלנו ברמה המולקולרית. על ידי פענוח השינויים הללו, אנו יכולים לעקוב – ואפילו להדריך – כמה טוב מישהו מזדקן. "
וולפרם ווקווארת ', אוניברסיטת וינה
