חוקרים מהלמהולץ מינכן, אוניברסיטת לודוויג מקסימיליאנס במינכן (LMU) ומוסדות משתפים פעולה פיתחו מסגרת של בינה מלאכותית (AI) שממפה שינויים הקשורים למחלה בכל גוף העכבר ברזולוציה תאית. באמצעות הפלטפורמה החדשה, הנקראת MouseMapper, חשפו החוקרים דלקת נרחבת ונזק שלא זוהה בעבר לעצבים תחושתיים בפנים שנגרמו כתוצאה מהשמנת יתר. חשוב לציין, הם גם זיהו חתימות מולקולריות מתאימות ברקמה אנושית, מה שמרמז על כך שמאפיינים מרכזיים של נזק עצבי הקשור להשמנה נשמרים על פני מינים. הממצאים מתפרסמים היום בכתב העת Nature.
השמנת יתר משפיעה על הרבה יותר מאשר חילוף חומרים ואגירת שומן. זה משנה את הפעילות החיסונית, מבנה העצבים וארגון הרקמות על פני מספר מערכות איברים, ומגביר את הסיכון למחלות כולל סוכרת מסוג 2, מחלות לב וכלי דם, שבץ, נוירופתיה וסרטן. עם זאת, למרות ההשפעות המערכתיות הללו, חסרו לחוקרים כלים המסוגלים לחקור שינויים הקשורים למחלות בכל הגוף באורגניזמים שלמים וברזולוציה גבוהה.
צוות בראשות פרופ' עלי ארטורק, מנהל המכון לאינטליגנציה ביולוגית (iBIO) בהלמהולץ מינכן ופרופסור ב-LMU, פיתח כעת את MouseMapper, חבילה של אלגוריתמים מבוססי מודלים של למידה עמוקה שנועדה לנתח נתוני הדמיה ביולוגית של כל הגוף. המסגרת מפלחת אוטומטית 31 איברים וסוגי רקמות תוך מיפוי כמותי של עצבים ותאי חיסון בכל הגוף, ומאפשרת ניתוח רב-מערכתי מקיף בעכברים שלמים.
MouseMapper בנוי על מודל יסוד, מה שאומר שהוא מכליל הרבה מעבר לנתונים שעליהם הוכשר במקור."
יינג צ'ן, שותף לכותב הראשון של המחקר
מסתכל בתוך עכבר שקוף שלם
כדי ליצור מפות של כל הגוף, החוקרים סימנו עצבים ותאי חיסון בעכברים עם סמנים פלואורסצנטיים הנראים מתחת למיקרוסקופ. לאחר מכן הם השתמשו בטכניקות ניקוי רקמות כדי להפוך את החיות לשקופות תוך שמירה על האותות הפלורסנטים, מה שמאפשר הדמיה עמוק בתוך גופים שלמים.
באמצעות מיקרוסקופיה מיוחדת של גיליונות אור, הצוות תפס תמונות תלת מימדיות מפורטות של עכברים שלמים, ויצר מערכי נתונים המכילים עשרות מיליוני מבנים תאיים על פני איברים ורקמות. לאחר מכן MouseMapper ניתח את הנתונים הללו באופן אוטומטי, וזיהה עצבים, צבירי תאי חיסון ואזורים אנטומיים בכל הגוף.
זה אפשר לחוקרים לקבוע במדויק היכן מתרחשים דלקת ונזק מבני על פני רקמות שונות – כולל שומן, שריר, כבד ועצבים היקפיים – מבלי לדרוש מהחוקרים לבחור מראש אזורי עניין ספציפיים.
תובנות חדשות על השמנת יתר, מעכבר לאדם
כדי לחקור כיצד השמנת יתר מעצבת מחדש את הגוף, החוקרים האכילו עכברים בתזונה עתירת שומן שגרמה להשמנה וחוסר תפקוד מטבולי בדומה לזו שנצפה בבני אדם. יישום MouseMapper חשף שינויים נרחבים הן בארגון תאי החיסון והן בארכיטקטורת העצבים בגוף.
אחד הממצאים הבולטים ביותר היה שינוי מבני בחלק מהעצב הטריגמינלי, עצב פנים ראשי שאחראי על תחושת הפנים ותפקודים מוטוריים. בעכברים שמנים, לעצבים החושיים הללו היו הרבה פחות קצוות וענפים, מה שמצביע על אובדן תפקוד עצבי תקין. ניסויים התנהגותיים הראו עוד כי החיות הגיבו פחות לגירוי חושי מאשר עכברים רזים, וקושרו את הנזק המבני לתפקוד חושי לקוי.
לאחר מכן בחנו החוקרים את הגנגליון הטריגמינלי, המבנה המכיל את גופי התא של נוירונים תחושתיים בפנים. באמצעות פרוטאומיקה מרחבית, הם זיהו שינויים מולקולריים הקשורים לשיפוץ עצבים ודלקת. למרבה הפלא, רבים מאותן חתימות מולקולריות זוהו גם ברקמת משולש מאנשים עם השמנת יתר, מה שמרמז על כך שהשינויים העצבים הקשורים להשמנה שנצפו בעכברים מתרחשים גם בבני אדם.
"חשפנו שינויים מבניים ומולקולריים שלא ידועים בעבר בגנגליון הטריגמינלי ובענפי הפנים שלו, ואותה חתימה מולקולרית נשמרה ברקמות אנושיות. ממצא מסוג זה פשוט לא יכול לצוץ מחקר איבר אחד בכל פעם", אומרת ד"ר דוריס קלטנקר, מדענית בכירה במכון לסוכרת וסרטן (IDC) ומחברת המחקר הראשונה של מינכן (IDC).
פלטפורמה לחקר מחלות מערכתיות
מעבר להשמנה, החוקרים מאמינים כי MouseMapper יכול לשנות את חקר המחלות המורכבות המשפיעות על מערכות איברים מרובות בו זמנית, כולל סוכרת, סרטן, ניוון עצבי והפרעות אוטואימוניות. בניגוד לשיטות קודמות שהתמקדו באיברים או ברקמות נבחרות, MouseMapper מספקת פלטפורמת ניתוח משולבת של כל הגוף המסוגלת לזהות "נקודות חמות" של מחלות ברחבי האורגניזם.
הצוות הפך מערכי נתונים לכל הגוף לזמינים באופן מקוון, ומאפשר למדענים ברחבי העולם לחקור שינויים הקשורים להשמנה בין רקמות ומערכות איברים.
"המטרה שלנו היא ליצור מסגרת מקיפה להבנה כיצד מחלות משפיעות על הגוף כמערכת מקושרת", אומר עלי ארטורק. "החזון לטווח ארוך שלנו הוא לבנות תאומים דיגיטליים מציאותיים באמת של עכברים בבריאות ומחלות: אטלסים ברמת התא שנוכל לברר, להטריד ולסנן בסיליקו מבחינה חישובית. זה יאפשר לנו לאתר את השינויים המוקדמים ביותר שמחלה גורמת, לתכנן התערבויות כדי למנוע אותם ולהאיץ את הגילוי של טיפולים חדשים תוך הפחתת מספר הניסויים הפיזיים שעלינו לבצע."
