Die Software ChromAgeNet entschlüsselt die dreidimensionale Struktur der Chromatinarchitektur und trennt junge von gealterten Blutstammzellen. Das Ergebnis könnte neue Strategien zur Verjüngung von Zellen anstoßen.
Das Altern schwächt nach und nach die Fähigkeit des Körpers, sich zu regenerieren. Besonders leidet die Produktion der Blutzellen darunter. In diesem Wettlauf gegen die biologische Uhr ist es entscheidend, Veränderungen der blutbildenden Stammzellen genau zu analysieren. Nur so lassen sich Eingriffe entwickeln, die ihren Niedergang bremsen und ihre ursprüngliche Funktion zurückbringen.
WERBUNG
WERBUNG
Ein Forschungsteam in Barcelona hat ChromAgeNet entwickelt. Das KI‑Werkzeug erkennt das Altern blutbildender Stammzellen, indem es die dreidimensionale Struktur ihrer DNA auswertet.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Aging Cell“ erschienen. Das Team um die Forscherinnen Maria Carolina Florian (IDIBELL) und Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal) zeigt, dass die Organisation der Chromatinstruktur genügend Informationen enthält, um Zellen von jungen und alten Mäusen zu unterscheiden.
Biomedizin trifft Supercomputing
Für das Training des Modells nutzten die Forscherinnen sogenannte konvolutionale neuronale Netze und speisten sie mit 3D-Bildern von Zellkernen aus Maus-Stammzellen (Quelle auf Spanisch). ChromAgeNet greift auf Neuronale Netze zurück, um das Altern der DNA zu entschlüsseln. Die KI entdeckt subtile strukturelle Veränderungen, die dem menschlichen Auge entgehen.
In der Biomedizin besteht eine der größten Sorgen beim Einsatz von Neuronalen Netzen darin, dass oft unklar bleibt, worauf die Modelle ihre Entscheidungen stützen. ChromAgeNet überwindet diese Hürde, denn es handelt sich um eine erklärbare KI (XAI).
ChromAgeNet konnte im Durchschnitt rund 68 % der Zellen korrekt zuordnen – entweder zu jungen oder zu gealterten Mäusen –, und zwar auf Basis von Bildern, die mit DAPI gewonnen wurden, einer gängigen und kostengünstigen Zellkernfärbung.
ChromAgeNet zeichnet sich als erklärbare KI aus. Forschende können untersuchen, welche Bildmerkmale zu den Vorhersagen beitragen. Die Analysen weisen unter anderem auf Veränderungen an der Peripherie des Zellkerns hin, die mit dem Altern zusammenhängen.
Die Auswertung zeigt: Bei jungen Zellen liegt das Chromatin am Rand des Zellkerns kompakt und geordnet vor. In gealterten Zellen wirkt es hingegen deutlich verstreuter. Als Machbarkeitsnachweis prüft das Werkzeug, wie bestimmte epigenetische Wirkstoffe (Quelle auf Spanisch) die Chromatinorganisation verändern. Einige Muster ähneln dabei eher denen junger Zellen. Das unterstreicht das Potenzial der Plattform für das Screening von Therapien, die das blutbildende Gewebe regenerieren und das Immunsystem stärken könnten. Der Programmcode und die Bilddatenbank stehen der internationalen Wissenschaftsgemeinschaft bereits frei zur Verfügung.
Zusammenarbeit mit KI-Forschungsteams
Zur Frage der praktischen Anwendungen erklärt die Hauptautorin Maria Carolina Florian vom Institut für Biomedizinische Forschung von Bellvitge (IDIBELL) Euronews: „Derzeit haben wir ein Werkzeug entwickelt, das als Machbarkeitsnachweis in hämatopoetischen Stammzellen der Maus dient. Jetzt arbeiten wir daran, es zu optimieren und auf menschliche Stammzellen zu übertragen. Unser Ziel ist, damit neue Wirkstoffe zu testen, die auf die Architektur des Zellkerns einwirken und gealterte Stammzellen verjüngen könnten.“
Florian sagt gegenüber Euronews weiter, diese Arbeit habe „dank der Expertise von Paula Petrone (BSC und ISGlobal) das ideale Umfeld gefunden, um zu einem echten Werkzeug zu werden. Wir planen, ChromAgeNet weiterzuentwickeln und für den Einsatz mit menschlichen Stammzellen auszuweiten. Zudem beantragen wir zusätzliche EU-Fördermittel und suchen den Austausch mit anderen Forschenden in Europa, die an einer praktischen Anwendung unserer Ergebnisse interessiert sind.“
Nach Einschätzung von Paula Petrone zeigt die Studie, „dass ein Deep-Learning-Algorithmus zwischen jungen und gealterten Stammzellen unterscheiden kann – allein durch die Analyse von Bildern der Zellkerne, die mit dem kostengünstigen Farbstoff DAPI angefärbt wurden“.
3D-Karten und Open-Source-Code für eine verjüngte Zellarchitektur
Die innere Landkarte des Zellkerns offenbart eine deutliche Signatur: In jungen Zellen ist das Chromatin dicht und kompakt an den Rändern des Kerns angeordnet. Mit den Jahren verliert diese Architektur ihre Ordnung. Solche Muster zu erkennen könnte helfen, den Verfall der blutbildenden Stammzellen besser zu verstehen und Strategien zu bewerten, die das hämatopoetische Gewebe regenerieren und den gesamten Organismus verändern könnten.
Um das praktische Potenzial des Algorithmus zu belegen, entwickelte das Team einen weiteren Machbarkeitsversuch. Die Forschenden setzten gealterte Zellen verschiedenen epigenetischen Wirkstoffen aus und spielten die Bilder durch ChromAgeNet. Das Ziel: herauszufinden, ob die Moleküle Veränderungen in der Chromatinorganisation auslösen, die zu einem jüngeren Zustand passen.
Um neue Erkenntnisse zu beschleunigen, hat das Team den Programmcode der Plattform sowie eine öffentliche Datenbank mit 3D-Bildern von Stammzellen freigegeben. Die Forschenden hoffen, so Wirkstoffe zu finden, die das Immunsystem stärken und die Lebensqualität im Alter verbessern.
Zahlreiche internationale Studien belegen die zentrale Rolle des Immunsystems für das Altern des Körpers. Darauf verweist auch Maria Carolina Florian: „In unserem Labor haben wir gezeigt, dass es möglich ist, gealterte hämatopoetische Stammzellen zu stimulieren und zu verjüngen. Damit lässt sich nicht nur die Funktion des Immunsystems verbessern, sondern auch Lebenserwartung und Gesundheit des gesamten Organismus.“
Langfristige Hoffnung, Vorsicht im Hier und Jetzt: Forschung hinter ChromAgeNet mahnt zur Zurückhaltung
Die neue Plattform ChromAgeNet soll helfen, die grundlegenden molekularen Mechanismen zu verstehen, die beim Altern hämatopoetischer Stammzellen eine Rolle spielen. Diese Prozesse können gezielt therapeutisch beeinflusst werden, um die Zellen zu verjüngen. „Wir hoffen, unser Wissen zu erweitern, unsere Ergebnisse zu festigen und neue Werkzeuge sowie Wirkstoffe zu identifizieren, mit denen sich die Funktion gealterter hämatopoetischer Stammzellen verbessern lässt“, sagt Florian.
„In Zukunft könnte diese Technik beim Screening von neuen Wirkstoffen mit verjüngendem Potenzial eingesetzt werden“, ergänzt Paula Petrone im Gespräch mit Euronews. „Wenn wir gealterte Zellen mit unterschiedlichen Kandidaten behandeln, könnte die KI anhand der Bildanalyse jene Substanzen erkennen, die Veränderungen hin zu einem jüngeren Zustand auslösen.“
Für Petrone ist es mindestens so wichtig, „nicht nur die Lebenserwartung zu verlängern, sondern vor allem die gesunde Lebensspanne“. Neue Medikamente mit Verjüngungspotenzial könnten etwa dazu beitragen, das Altern des Immunsystems zu verlangsamen und so ein insgesamt gesünderes Altern zu fördern.
Gleichzeitig mahnt die Forscherin im Gespräch mit Euronews zur Vorsicht: „Wir dürfen unsere Ergebnisse nicht überschätzen. Solche neuen Technologien benötigen Jahre der Entwicklung und Validierung, bevor sie eines Tages in der Klinik ankommen. Unsere Arbeit steuert nur einen kleinen Baustein zum Verständnis des Alterns bei und zur Suche nach Strategien, die ein gesundes Altern fördern könnten.“