מודל המופעל על ידי AI מנבא הזדקנות ביולוגית דרך מסלולי סטרואידים, ומדגיש סמנים ביולוגיים מרכזיים כמו קורטיזול.
לִלמוֹד: חיזוי גיל ביולוגי באמצעות מודל DNN המבוסס על מסלולי סטרואידוגנזה. קרדיט תמונה: Shutterstock AI Generator / Shutterstock.com
לאחרונה התקדמות מדעית המחקר דן בשיטה חדשה לחיזוי הזדקנות ביולוגית (BA) באמצעות רשת עצבית עמוקה (DNN) המבוססת על מסלולי סטרואידוגנזה.
מה זה מזדקן?
הזדקנות היא תהליך ביולוגי מורכב העולה כתוצאה מהצטברות נזק מולקולרי ותאי הגורם לירידה תפקודית. כתוצאה מכך, הזדקנות מגדילה את הסיכון למחלות רבות כולל מחלת פרקינסון, מחלת אלצהיימר ואוסטאופורוזיס.
בעוד שהזדקנות הכרונולוגית (CA) משקפת את חלוף הזמן, BA מספק תובנות לגבי התהליכים הביולוגיים המעורבים בהזדקנות.
שיטות למדידת הזדקנות ביולוגית
הערכת BA מורכבת ביותר, מכיוון שהיא מושפעת מגורמים גנטיים וגם לא גנטיים. שיטות זמינות למדידת BA קשורות לרוב לאיכות חיזוי לא מספקת, שכן גישות אלה מסתמכות על אינדיקטורים פנוטיפיים, כמו חוזק אחיזה ויכולת ריאה, חסרי סטנדרטיזציה ודיוק.
במהלך השנים האחרונות, החוקרים עברו ממדדים פנוטיפיים קונבנציונליים למדדים מהותיים יותר, כמו ספירת דם ובדיקות ביוכימיות, כדי להעריך את ההזדקנות הפיזיולוגית. עם זאת, סמנים אלה אינם משקפים במדויק מסלולים מטבוליים או פיזיולוגיים ספציפיים התורמים להזדקנות.
טכנולוגיות OMICS הכוללות אפיגנומיקה ומטבוליומיקה שימשו גם לניתוח הזדקנות ברמה המולקולרית ולשיפור הדיוק של דגמי BA. למרות ששיטות אלה יכולות לפרש מתילציה של DNA ונתוני פרוטאומיקה, הם מוגבלים ביכולתם לזהות סמנים ביולוגיים ספציפיים הקשורים למסלולי מטבוליות שנפגעו במהלך ההזדקנות.
טכניקות למידת מכונות מודרניות כמו יערות אקראיים, מכונות וקטוריות תומכות (SVMs) ו- DNN שימשו גם למדידת תהליכים ביולוגיים מורכבים הקשורים להזדקנות. מכיוון ש- DNN יכול להתמודד עם נתונים ממדיים גבוהים, הם שימשו לחיזוי תואר ראשון; עם זאת, דגמים אלה מועדים להתאמה יתר, מה שיכול להפחית את יכולות הביצועים שלהם.
על המחקר
המחקר הנוכחי פיתח מודל DNN המבוסס על מסלולי סטרואידוגנזה לשיפור דיוק החיזוי של BA. סטרואידים, שכימותו באמצעות ספקטרומטריית המונים של כרומטוגרפיה נוזלית (LC-MS/MS), היו מרובדים לארבע קבוצות על בסיס מין וייעוד לאימונים או לאימות עצמאי.
טכניקות בקנה מידה של נתונים שימשו לטיפול בשונות פיזיולוגית וניסויית. בניגוד לדגמים קודמים, מודל ה- DNN הנוכחי משלב פונקציית אובדן מעוצבת בהתאמה אישית המהווה את ההטרוגניות המתקדמת של ההזדקנות. מודל DNN זה נועד לשלב תהליכים ביוכימיים במסלולי סטרואידים מרכזיים, המשפרים משמעותית את הפרשנות הביולוגית של המודל.
מחקר זה עיצב תואר ראשון באמצעות נתונים של 100 משתתפים בריאים בין גיל 20 עד 73 שנים, כמו גם קבוצת אימות שנייה של 50 משתתפים בין 40 ל 59 שנים.
ממצאי לימוד
שיטה מאומתת שימשה לכימות 22 סטרואידים אצל 150 פרטים. מבין 100 דגימות הסרום ששימשו למודלים, שניים לא הוחרגו בגלל בעיות המיוחסות למגבלת כימות (LOQ). ההבדלים ברמות האסטרון (E1) בדגימות נקבות היו ככל הנראה בגלל הבדלים במחזור הווסת.
הטווח הרחב יותר של 7α-hydroxydehydroepiandrosterone (7-OH-DHEA) יכול לנבוע מהכללת המשתתפים עם קבוצות גיל מגוונות. סטרואידים אחרים הנחשבים למודל זה כוללים Tetrahydrocortisol (TH-Col), Tetrahydrocorticosterone (Thb), Tetrahydrocortisone (Th-Cor), 11-ß-hydroxyandrosterone (11-OH-an), Adrenosterone (AT), ו- Tetrahydrodoxycortisol (Ths).
עבור דוגמנות DNN הנוכחית, נחשבו מידע דמוגרפי ופיזיולוגי לכל משתתף כולל מין, CA, קבוצות דם, הרגלי עישון ואתניות. לאחר אימון המודל במערך נתונים מובנה היטב, נבדק הקשר המהותי בין הורמונים ספציפיים להזדקנות פיזיולוגית.
מודל ה- DNN הנוכחי חשף כיצד סטרואידים שונים משפיעים על BA וזיהה הבדלים ספציפיים למין בין מודלים נקביים וזכריים. לפיכך, מסלולי חילוף חומרים מובחנים בכל מין משפיעים על מסלולי הזדקנות, עם מסלולי קורטיקוסטרואידים והורמון מין המעורבים ב- BA.
קורטיזול (COL), סטרואיד הקשור ללחץ, זוהה כסמן ביולוגי משמעותי של הזדקנות. מודל DNN קבע מתאם חיובי בין COL ל- BA, ובכך מצביע על כך ש- COL יכול להיחשב כסמן ביולוגי של הזדקנות בגלל מעורבותו בתהליכים כמו גלוקונאוגנזה ודלקת.
המודל הנשי חשף כי סטרואידים כמו 17-OH-P4, COR, COS ו- TH-COL משפיעים באופן חיובי על BA, ואילו BA בקרב גברים מושפעים מרמות ההריון והטסטוסטרון.
בהשוואה לאינן מעשנים, רק מעשנים גברים היו קשורים למסלול מזדקן מואץ יותר, אשר ניתן לייחס לתדירות עישון נמוכה יותר בקרב נשים מאשר גברים.
מסקנות
מודל ה- DNN הנוכחי לוכד במדויק את ההטרוגניות הגוברת של הזדקנות לאורך זמן ותהליכים ביולוגיים מורכבים שהושפעו מסטרואידוגנזה. ממצאי המחקר מצביעים על כך שפרופילי סטרואידים, במיוחד COL, יכולים לשמש כסמנים ביולוגיים דינאמיים כדי להבהיר את תהליך ההזדקנות הדינאמי.
בעתיד, ניתן לעודד מודל DNN זה כדי למנף את הכולסטרול הכולל כהפניה, מה שעלול לשמור על דיוק חזוי במערכי נתונים עם פחות מדידות סטרואידים. חשוב לציין כי מודל זה חייב להיות מאומן באמצעות מערך נתונים מגוון השוקלים גורמים סביבתיים והתנהגותיים כאחד, ובמקביל לבחון כיצד מסלולי חילוף חומרים ספציפיים למין מסוימים נבדלים זה מזה בהזדקנות.
