Stamcelnuclei verklappen veroudering via AI
Je kunt aan de binnenkant van een bloedstamcel zien hoe oud iemand biologisch is. Onderzoekers trainden een algoritme op microscopiebeelden van celkernen en bouwden daarmee een nieuwe verouderingsklok.
Bloedstamcellen, ook wel hematopoietische stamcellen (HSC) genoemd, zijn de cellen waaruit alle bloedcellen voortkomen. Ze bevinden zich in het beenmerg en werken hun hele leven door. Naarmate ze ouder worden, veranderen ze van binnenuit: de manier waarop hun DNA is verpakt en gerangschikt in de celkern verschuift. Die veranderingen in chromatinestructuur, de combinatie van DNA en eiwitten die het erfelijk materiaal organiseren, zijn met een microscoop zichtbaar, maar veel te complex om handmatig te analyseren.
De onderzoekers ontwikkelden een systeem genaamd ChromAgeNet, gebaseerd op zogenoemde convolutionele neurale netwerken. Ze trainden het algoritme op driedimensionale microscopiebeelden van celkernen van jonge en oude muizen. Het systeem leerde onderscheid te maken tussen jonge en verouderde stamcellen en bereikte daarin een nauwkeurigheid (gemeten als AUROC) van 0,77, wat de onderzoekers beschouwen als een goed startpunt voor een proof-of-concept.
Wat ziet de AI precies?
Het algoritme bleek drie eigenschappen te gebruiken als voorspellers van biologische leeftijd: de mate van wanorde in de chromatinestructuur (chromatine-entropie), de verdeling van dicht gecondenseerd DNA nabij de kernmembraan (perifere heterochromatine), en de aanwezigheid van gecondenseerde chromatineconcentraties. Alle drie nemen toe of verschuiven naarmate een stamcel veroudert.
Een bijkomende bevinding was dat het model kon detecteren of verouderde stamcellen waren blootgesteld aan epigenetische geneesmiddelen. Dat maakt het systeem mogelijk bruikbaar als screeningtool: je kunt er kandidaat-middelen mee testen op hun vermogen stamcellen te verjongen, zonder dat je dure en tijdrovende functionele tests nodig hebt.
Klok als screeninginstrument
Verouderingsklokken bestaan in verschillende vormen: gebaseerd op DNA-modificaties, eiwitprofielen of beeldanalyse. Deze beeldgebaseerde aanpak voegt een nieuwe dimensie toe. Omdat het gaat om muismodellen, is voorzichtigheid geboden bij het vertalen naar mensen. Maar de benadering legt een principe bloot: de ruimtelijke organisatie van DNA in een celkern vertelt een verhaal over biologische leeftijd dat algoritmen kunnen leren lezen.
Wil je zelf meer onderzoek doen?
Zoek bijvoorbeeld op:
- hematopoietische stamcelveroudering
- chromatinestructuur verouderingsklok
- deep learning biologische leeftijd