AI inom stamcellsforskning
Artificiell intelligens hjälper forskare förstå hur en brist på stamceller bidrar till åldrande
Artificiell intelligens (AI) har börjat appliceras inom medicinsk forskning. I några av de senaste studierna har avancerade dataprogram använts för att ta reda på varför vi åldras.
Varför blir vi gamla?
Klockan kommer ju alltid att fortsätta att ticka, men varför förändras våra kroppar, varför blir vi skrynkliga och svaga? Frågan är så uppenbar att det kan vara förvånande att höra att svaret från vetenskapen är något oklart. Vissa forskare har föreslagit att åldrandet beror på att kroppen samlar på sig skador och skräp under åren och blir sliten likt ett par gamla sneakers, medan andra tror att det är ett biologiskt programmerat förlopp som fyller en evolutionär roll, precis som barndomen och puberteten. De två synsätten speglar den gamla dikotomin angående arv och miljö, men båda lägren är överens om att stamceller är centrala i processen.
Adulta stamceller är omogna celler vars funktion är att ersätta skadade eller döda celler med nya färska motsvarigheter. Det gör de genom att gå igenom så kallad asymmetrisk celldelning, där den ena cellen efter delningen blir en mogen funktionell cell redo att utföra sin plikt i kroppen, och den andra cellen bibehåller sin status som stamcell. Asymmetrin är viktig för att bibehålla den återfyllande processen; om bägge cellerna efter delningen blir till funktionella specifika celltyper, som blodkroppar eller hudceller, så finns det ju ingen stamcell kvar när det behövs fler celler i framtiden.
För att inte slösa resurser och bana väg för cancer så regleras celldelningen strikt och nya celler skapas bara vid behov. Men hur vet stamcellerna vilka behov som finns? Det beror väldigt mycket på vävnaden som cellerna befinner sig i. I vissa organ, som i hjärnan, skapas nästan alla cellerna under graviditeten och det första levnadsåret och finns därefter kvar i hela livet, medan i benmärgen så skapas det otroliga 3 miljoner röda blodkroppar i sekunden! Men vad händer om man förlorar blod, hur vet kroppen att den ska tillverka mer? Det visar sig att det finns en rasande massa faktorer som spelar in på hur mycket blod som ska tillverkas. Exempelvis måste mer blod skapas vid en skada eller bloddonation, men även om man befinner sig på högre höjd, om man börjat träna mer, om man går upp i vikt, osv.
Artificiell intelligens kan hjälpa oss att förstå stamcellers språk
Forskare har länge försökt lära sig förstå och kontrollera dessa signaler till stamcellerna med drömmen om att en dag kunna hålla oss unga och friska längre. Dessvärre har det visat sig vara ytterst komplicerat eftersom det inte verkar finnas ett enskilt enkelt reglage för det hela, utan en mängd faktorer och signaler som tillsammans bestämmer hur, när och om en stamcell ska skapa en ny cell.
Det är här artificiell intelligens kommer in i bilden. Vad AI är riktigt bra på är att lära sig se mönster i stora mängder ostrukturerad data. Den brittiska forskaren Dr Ben MacArthur vid University of South Hampton är professor i kvantitativ biomedicin och expert på att applicera AI inom stamcellsforskningen. Han och hans samarbetspartners matade in stora mängder experimentella data i ett artificiell neuralt nätverk, ett slags dataprogram som fungerar snarlikt vår hjärna.
Genom att se på aktiviteten hos en stor mängd gener kunde det neurala nätverket skaffa sig en enhetlig bild av hur en cell uppför sig och därmed ge forskarna en klarare bild över hur åldrande fortgår. Det visade sig att stamceller från gamla individer (i detta fall 18 månader gamla möss) hade förlorat förmågan att dela sig asymmetriskt och utarmade därför poolen med stamceller, vilket forskarna tror är en av de viktigare pusselbitarna i det biologiska åldrandet. Utan stamceller kan då inte vävnaderna förnya sig utan leder till ackumulering av skador som vi ser som åldrande.
Användingen av AI ökar inom stamcellsforskningen
Det här är inte den första studien att använda sig av AI för att bättre förstå sig på hur stamceller fungerar. Dr. Demarcus Briers, en amerikansk forskare, publicerade nyligen en studie där AI hjälpte till med att få flera olika sorters stamceller att växa i precis de mönster som forskarna vill. Drömmen är att i framtiden kunna manipulera cellerna att växa på ett sätt som skapar hela organ så de kan implanteras i behövande patienter.
“Vår maskininlärnings-modell tillåter oss att förutsäga nya sätt för stamcellerna att organisera sig själva, och skapar instruktioner för hur vi ska kunna återskapa dessa förutsägelser i labbet”, säger han till Drug target review [3].
En annan användning är att låta AI välja ut de celler som har störst klinisk användning, till exempel för att skapa flest blodkroppar [4].
Ibland tar forskningsfält stora kliv framåt när de korsas med andra fält. Artificiell intellligens har framför allt drivits av stora IT-företag som Google och Facebook, men appliceras nu i högre grad inom medicinsk forskning. Det är långt kvar innan vi förstår oss på det molekylära språket våra celler använder och hur detta påverkar vår biologiska ålder, men drömmen om ett evigt liv kommer sannolikt aldrig dö.
Referenser:
1: https://www.nature.com/articles/s41591-020-01182-99
2: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33296684/
4: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301472X19309956
