ИИ научился определять, насколько состарились органы человека

Фото из открытых источников

По данным исследователей из Исследовательского центра молекулярной медицины CeMM Австрийской академии наук и Института сетевой медицины имени Людвига Больцмана (LBI-NetMed) при Венском университете, можно оценить биологический возраст человеческих органов на базе ИИ. Анализируя более 25 000 образцов тканей из 40 типов тканей, их исследование показывает, что органы стареют с разной скоростью на протяжении жизни, и эти изменения можно обнаружить даже по образцам крови. Результаты, опубликованные в журнале Nature Medicine, предоставляют новую основу для понимания старения и могут открыть новые направления для мониторинга заболеваний и ранней диагностики.

Некоторые люди стареют медленнее других, выглядят и ведут себя как 45 лет в 60. Другие, похоже, опередили график. Но почему так происходит и что на самом деле происходит внутри организма? Отличается ли возраст печени от мозга? И можно ли измерить разрыв между возрастом в паспорте и биологическим возрастом каждого органа?

Объединяя искусственный интеллект с одной из крупнейших в мире коллекций изображений человеческих тканей, новое исследование, возглавляемое главным исследователем CeMM и LBI-NetMed Андре Рендейро, а также соавторами которого были Эрнесто Абила, Ива Бульян и Йимин Чжэн, делает большой шаг к ответу на эти вопросы. В то время как предыдущие исследования в основном сосредотачивались на молекулярных изменениях, таких как метилирование ДНК или экспрессия генов, команда изучает, как со временем меняется архитектура тканей.

Безмолвный дневник времени

Для этого исследователи обратились к проекту Genotype-Tissue Expression Project (GTEx), который собрал образцы тканей у 983 человек из 40 различных типов тканей — от мозга и сердца до легких, поджелудочной железы, кожи и кишечника. Они были преобразованы в высококачественные цифровые фотографии срезов тканей, каждая из которых раскрывала микроскопическую архитектуру данного органа. Масштаб поражает: 25 712 изображений, представляющих ~480 миллионов отдельных плиток, проанализированных с использованием современных моделей зрения.

Они обнаружили, что архитектура органов ведёт безмолвный дневник времени: даже без явного обучения ИИ этому возраст оказался самым сильным фактором, формирующим внешний вид тканей во всех 40 типах тканей. Основываясь на этом, исследовательская группа разработала так называемые «тканевые часы» — предсказательные модели, которые независимо оценивают биологический возраст человека по внешнему виду его ткани для каждого органа.

Эти часы достигли средней ошибки прогноза всего 4,9 года и превзошли существующие оценки старения на основе ДНК при фиксации тканеспецифической патологии. Важно, что предсказанный биологический возраст был тесно связан с известными признаками старения, включая укорачивание теломер, патологию тканей и количество хронических заболеваний у человека.

Для каждого органа разный график

Анализ показал, что старение происходит неравномерно: некоторые ткани, такие как легкие, почки, поджелудочная железа и надпочечники, уже в возрасте от 20 до 40 лет проявляли признаки ускоренного старения. Другие следовали более сложным путям, а пики ускоренного старения появлялись позже в жизни. Матка проявила особенно заметный сдвиг примерно в возрасте менопаузы. Исследователи также выявили сильную связь между специфическим старением тканей и медицинскими состояниями или факторами, связанными с образом жизни. Например, почечная недостаточность была связана с ускоренным старением в нескольких тканях, тогда как диабет проявил выраженные последствия в поджелудочной железе.

«Что выделяется — это то, насколько по-разному каждый орган стареет и как это проявляется в структуре тканей», — говорит Эрнесто Абила, соавтор исследования. «Глубокое обучение позволяет нам читать эти пространственные паттерны, фиксируя старение как архитектурное переустройство, а не просто молекулярный дрейф.»

Хотя тканевые часы фиксировали нормальный темп старения у разных органов, они также выделяли исключения — людей, чьи ткани демонстрировали выраженные структурные сдвиги выше их хронологического возраста.

Однако образцы тканей не всегда могут быть собраны. Связывая профили экспрессии генов на основе крови с гистологически выведенными разрывами в возрасте тканей тех же людей, исследователи создали предикторы специфического биологического возраста ткани только на основе образцов крови. «Это концептуальный скачок: использование языка старения тканей, изученного на изображениях, и перевода его во что-то, что можно читать с помощью рутинного взятия крови», — объясняет соавтор Ива Бульян.

Образцы крови показывают закономерности старения

Эти предикторы на основе крови успешно выявили модели старения, связанные с несколькими заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Крона, муковисцидоз, васкулит, диабет и инсульт. Например, при болезни Альцгеймера самый сильный сигнал старения был обнаружен именно в мозге, тогда как болезнь Крона показала ускоренное старение в желудочно-кишечном тракте.

«Это исследование подчёркивает, что старение — это не просто вопрос хронологического времени», — говорит Йимин Чжэн, третий соавтор исследования. «Разные органы стареют по-разному, и эти процессы, по-видимому, формируются как системными, так и специфичными для тканей факторами.»

Результаты показывают, что архитектура тканей интегрирует многие молекулярные и физиологические изменения, связанные со старением и болезнями. В будущем такие подходы могут способствовать минимально инвазивной диагностике, отслеживающей состояние органов и прогрессирование заболевания с помощью анализов крови.

Исследование также демонстрирует растущий потенциал искусственного интеллекта в патологии и исследованиях старения. Связывая тканевую визуализацию, экспрессию генов и клинические данные в крупном масштабе, работа даёт всестороннее представление о том, как старение проявляется во всём человеческом организме.