צוות חוקרים בראשות אוניברסיטת קליפורניה סן דייגו ואוניברסיטת סטנפורד פיתח שיטה לא פולשנית לניטור הפעילות החשמלית בתוך תאי שריר הלב מבחוץ, תוך הימנעות מהצורך לחדור פיזית לתאים. השיטה, שפורסמה ב-14 בינואר ב תקשורת טבעמסתמך על הקלטת אותות חשמליים מחוץ לתאים ושימוש ב-AI כדי לשחזר את האותות בתוך התאים בדיוק מרשים.
האותות החשמליים בתוך תאי שריר הלב מספקים תובנות כיצד הלב מתפקד, כיצד התאים שלו מתקשרים וכיצד הם מגיבים לתרופות. אבל לכידת האותות האלה כרוכה בדרך כלל בניקוב התאים באמצעות אלקטרודות זעירות, שעלולות להזיק להם ולהקשות על בדיקות בקנה מידה גדול.
כעת, חוקרים מצאו דרך להציץ בתוך התאים מבלי להיכנס פנימה.
המפתח טמון בחילוץ הקשר בין האותות בתוך התאים (אותות תוך תאיים) לאלו שנרשמו על פני השטח שלהם (אותות חוץ תאיים). "גילינו שאותות חוץ-תאיים מכילים את המידע שאנו צריכים כדי לפתוח את התכונות התוך-תאיות שאנו מעוניינים בהן", אמר זינב ג'אהד, פרופסור במחלקה המשפחתית של אייסו יופנג לי להנדסה כימית וננו באוניברסיטת סן דייגו, שהוא אחד מהם. מחברי המחקר הבכירים. קייוון רחמני, דוקטור להנדסה ננו. סטודנט במעבדה של ג'אהד, הוא הסופר הראשון במחקר.
בעוד שניתן ללכוד אותות חוץ-תאיים בשיטות פחות פולשניות, הם אינם מספקים פרטים רבים על הפעילות החשמלית של התא. "זה כמו להאזין לשיחה דרך קיר – אתה יכול לזהות שהתקשורת מתרחשת, אבל אתה מפספס את הפרטים הספציפיים", הסביר ג'אהד.
לעומת זאת, אותות תוך תאיים מציעים את הפרטים, גורמים לך להרגיש כאילו אתה יושב בתוך החדר ושומע כל מילה בבירור, אבל ניתן ללכוד אותם רק בשיטות פולשניות ומאתגרות יותר מבחינה טכנית".
זינב ג'אהד, פרופסור, המחלקה המשפחתית של אייסו יופנג לי להנדסת כימיה וננו, אוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו
באמצעות AI, Jahed, Rahmani ועמיתיו פיתחו שיטה לקשר בין אותות תאיים לאותות תוך תאיים ספציפיים.
כדי לפתח את השיטה החדשה, הצוות הנדס תחילה מערך של אלקטרודות ננומטריות בצורת מחט. אלקטרודות אלה, כל אחת קטנה עד פי 200 מתא שריר לב בודד, עשויות סיליקה מצופה פלטינה. תאי שריר הלב, שמקורם בתאי גזע, גדלו ולאחר מכן הונחו על מערך האלקטרודות.
החוקרים אספו מערך נתונים עצום – אלפי זוגות של אותות חשמליים – כל זוג מקשר בין הקלטה חוץ-תאית לאות התוך-תאי המתאים לו. הנתונים כללו כיצד התאים הגיבו כאשר נחשפו לתרופות שונות. זה הציע ספרייה עשירה של נתונים על איך תאי שריר הלב מתנהגים בתנאים שונים.
בעת ניתוח הזוגות הללו, החוקרים זיהו דפוסים בין האותות החוץ-תאיים והתוך-תאיים. לאחר מכן הם אימנו מודל למידה עמוקה כדי לחזות איך נראים האותות התוך תאיים על סמך ההקלטות החוץ-תאיות בלבד. בבדיקות, המודל שלהם יצר שחזורים מדויקים ומלאים של האותות התוך-תאיים.
לעבודה זו יש יישומים חשובים בהקרנת סמים, אמר ג'אהד. כל תרופה חדשה חייבת לעבור בדיקות קפדניות כדי להבטיח שהיא אינה משפיעה לרעה על הלב – תהליך המכונה בדיקת קרדיו-רעילות. חלק מתהליך זה כולל איסוף נתונים תוך תאיים מפורטים מתאי לב. שינויים עדינים באותות חשמליים אלה יכולים לספק רמזים לגבי השפעות התרופה על הלב, מה שיכול לעזור למפתחי תרופות להעריך את בטיחותן של תרופות חדשות. "נכון לעכשיו, זהו תהליך ארוך ויקר. הוא מתחיל בדרך כלל בבדיקות על מודלים של בעלי חיים, שלא תמיד מנבאים תוצאות אנושיות", אמר ג'אהד.
על ידי שימוש בגישה החדשה מונעת בינה מלאכותית במחקר זה, חוקרים יכולים לסנן תרופות ישירות על תאי לב אנושיים. זה יכול להציע תמונה מדויקת יותר של האופן שבו תרופה תתנהג בגוף האדם ועלול לעקוף את הצורך בניסויים בבעלי חיים בשלבים מוקדמים.
"זה יכול להפחית באופן דרמטי את הזמן והעלות של פיתוח תרופות", אמר ג'אהד. "ובגלל שהתאים המשמשים בבדיקות הללו נגזרים מתאי גזע אנושיים, זה גם פותח את הדלת לרפואה מותאמת אישית. ניתן יהיה לסנן תרופות על תאים ספציפיים למטופל כדי לחזות כיצד אדם עשוי להגיב לטיפולים אלו".
בעוד שהמחקר הנוכחי התמקד בתאי שריר הלב, החוקרים כבר עובדים על הרחבת השיטה שלהם לסוגים אחרים של תאים, כולל נוירונים. המטרה שלהם היא ליישם טכנולוגיה זו כדי להבין טוב יותר מגוון רחב של פעילויות סלולריות ברקמות שונות.