Машинное обучение поможет выращивать искусственные органы — Naked Science
11 минут
ФизТех

Машинное обучение поможет выращивать искусственные органы

4.8

Ученые из МФТИ совместно с коллегами из Института системного программирования и Института глазных исследований имени Чарльза Шепенса Гарвардской школы медицины (США) разработали нейросеть, способную распознавать ткани формирующейся сетчатки еще до ее окончательной дифференцировки. Для этого алгоритму, в отличие от человека, не требуется дополнительной модификации клеток. Это позволяет применять метод при выращивании сетчатки для пересадки.

Анализ стволовых клеток / ©depositphotos /Пресс-служба МФТИ

Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Cellular Neuroscience. В многоклеточных организмах каждый орган и тип тканей состоит из клеток, имеющих разные функции и свойства. Эти функции они приобретают в процессе развития. В самом начале все клетки одинаковые, но они потенциально способны создавать все типы клеток зрелого организма, в этот период времени такие клетки называются стволовыми.

Когда в некоторых из них начинают синтезироваться белки, работающие в определенных тканях, происходит дифференцировка и специализация клеток. После этого группы клеток образуют разные ткани и органы. Наиболее современным подходом для воспроизведения процесса развития различных тканей в пробирке является технология дифференцировки в трехмерных клеточных агрегатах — органоидах. Данная технология уже показала свою эффективность для исследования развития сетчатки, мозга, внутреннего уха, кишечника, поджелудочной железы и многих других тканей.

Благодаря тому, что процесс дифференцировки по данной технологии основывается на естественных механизмах развития, получаемая ткань обладает значительным сходством с естественным органом. Природа некоторых этапов дифференцировки имеет случайный характер, что приводит к значительному изменению количества клеток с определенной функцией даже среди искусственных органов в одной партии, не говоря о разных клеточных линиях.

Это значит, что для воспроизводимости экспериментов и, как следствие, для наибольшей надежности в клинических применениях при каждой дифференцировке необходимо уметь определять, какие клетки специализировались, а какие — нет. Для определения дифференцированных клеток при работе с тканями специалисты используют флуоресцентные белки — ген светящегося белка добавляют в ДНК клеток, в результате чего последние начинают его синтезировать, когда проходят нужную стадию развития.

К сожалению, этот чувствительный, специфичный и удобный для количественной оценки метод не подходит для производства клеток для трансплантации или моделирования наследственных заболеваний генетической природы. Именно поэтому ученые в данной работе предложили альтернативный подход для анализа — на основании структуры самой ткани.

На сегодняшний день нет надежных и объективных критериев, чтобы предсказать качество дифференцировки клеток. Для решения проблемы отбора лучших тканей сетчатки для дальнейшей трансплантации, скрининга лекарственных препаратов или моделирования заболеваний ученые решили использовать методы нейронных сетей и искусственного интеллекта.

«Одним из основных направлений деятельности нашей лаборатории является применение методов биоинформатики, машинного обучения и искусственного интеллекта для решения прикладных задач в области генетики и молекулярной биологии. Данная разработка — как раз на стыке наук. В ней классические для Физтеха инструменты нейронных сетей применены для очень значимой прикладной биомедицинской проблемы — предсказания дифференцировки в сетчатку из стволовых клеток. Сетчатка человека имеет крайне ограниченный потенциал к регенерации.

Это значит, что любая прогрессирующая потеря нейронов, например, при глаукоме, неизбежно приводит к полной слепоте. Сейчас врачам практически нечего предложить таким пациентам, кроме как начинать учить таблицы Брайля. Наша работа делает биомедицину на шаг ближе к созданию клеточной терапии для заболеваний сетчатки глаза, что позволит не только предотвратить прогрессию заболевания, но и вернуть больным уже утраченное зрение», — объясняет руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков.

Авторы статьи обучили нейронную сеть (компьютерный алгоритм, названный так по аналогии с работой человеческих нейронов в мозге) находить ткани развивающейся сетчатки на основании фотографий с простого светового микроскопа. Сначала они попросили экспертов идентифицировать на 1200 изображениях дифференцированные клетки при помощи точного метода с использованием флуоресцентного репортера.

Нейросеть обучили на 750 изображениях, еще 150 были использованы для валидации и 250 — для тестов. После проверки всех предсказаний оказалось, что люди определяли дифференцированные клетки с точностью около 67 процентов, в то время как нейросеть имела точность 84 процента.

«Наши результаты показывают, что критерии отбора тканей сетчатки на ранней стадии субъективны и зависят от эксперта, который принимает решение. При этом морфология (то есть структура) самой ткани даже на очень ранней стадии позволяет прогнозировать дифференцировку сетчатки. И программа, в отличие от человека, может извлечь эту информацию.

С учетом того, что этот подход не требует сложных изображений, флуоресцентных репортеров или красителей для анализа, его легко внедрить. Это позволяет сделать еще один шаг в сторону создания клеточных терапий для таких заболеваний сетчатки, как глаукома и макулярная дистрофия, которые сейчас практически неминуемо приводят к слепоте. Кроме того, этот подход может быть перенесен не только на другие клеточные линии, но и на человеческие искусственные органы», — дополняет Евгений Кегелес, сотрудник лаборатории терапии орфанных заболеваний МФТИ.

Московский физико-технический институт — ведущий технический вуз страны, который входит в престижные рейтинги лучших университетов мира. Здесь обучают фундаментальной и прикладной физике, математике, информатике, химии, биологии, компьютерным технологиям и другим естественным и точным наукам.

Сегодня Физтех – это передовой научный центр. В МФТИ организована научная деятельность, посвященная в том числе проблемам старения и возрастных заболеваний, прикладной и фундаментальной физике, двумерным материалам, квантовым технологиям, искусственному интеллекту, геномной инженерии, арктическим и космическим исследованиям. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
11 часов назад
5 минут
Мария Азарова

Разработчики российского препарата решили пересчитать данные о его эффективности с учетом вакцинации 3,8 миллиона россиян с 5 декабря 2020-го по 31 марта 2021 года.

Вчера, 17:11
9 минут
Александр Березин

Судя по отсутствию человека на водительском сиденье, машиной управлял автопилот. В теории он отслеживает наличие человека за рулем и без него не едет. Но на практике человек всегда может обмануть компьютер. Неспособность компьютера контролировать человека в описываемом случае привела к печальным последствиям. Несмотря на это, по последним данным, автопилот Tesla снижает риск попасть в аварию в девять раз. Впрочем, с одним нюансом.

12 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

Американское Бюро мелиорации опубликовало двухлетний прогноз гидрологической ситуации в бассейне реки Колорадо. Судя по имеющимся данным, в этом году она получит невероятно малое количество воды от стока с гор и осадков. Соответствующие органы власти и инфраструктурные организации готовятся к тому, чтобы впервые в истории Соединенных Штатов объявить декларацию о дефиците воды на федеральном уровне.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

16 апреля
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Позавчера, 21:00
7 минут
Василий Парфенов

Уже этой осенью в путешествие отправится крупнейший из созданных человеком космических телескопов — JWST. Он не только сменит на «посту» стремительно устаревающего «Хаббла», но и существенно раздвинет границы нашего понимания Вселенной. Американские астрономы с помощью моделирования показали, насколько быстро этот научный инструмент сможет обнаружить биосигнатуры в атмосферах планет у других звезд.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: