Программное обеспечение предсказывает судьбу стволовых клеток

Инженер из Университета Висконсин-Милуоки (UWM) создал программу, которая может не только предсказать типы специализированных клеток, которые произведет стволовая клетка, но и спрогнозировать результат еще до ее деления.

Программное обеспечение, разработанное доцентом кафедры электротехники Эндрю Коэном, анализирует покадровые изображения, фиксирующие поведение живых стволовых клеток. Оно позволит ученым искать механизмы, контролирующие специализацию стволовых клеток — главное препятствие на пути развития терапии с их использованием для лечения болезней. Это также может привести к новым исследованиям причин рака, который связан с клетками, непрерывно самообновляющимися.

Стволовые клетки играют ключевую роль в развитии человека и обладают потенциалом для восстановления тканей или органов, поврежденных болезнью или травмой. Но для использования терапий на основе стволовых клеток биологам необходимо лучше понять механизмы, контролирующие их дифференцировку.

«Это совершенно новый набор инструментов для биологов развития, — говорит Коэн, — и он поддерживает область, где других прогностических решений не существует».

Исследование опубликовано 7 февраля в журнале Nature Methods. Соавторами являются нейробиологи Мишель Кайуэтт и Франсиско Гомес из Института клинических исследований Монреаля, а также профессор компьютерной инженерии Бадри Ройсам из Политехнического института Ренсселера.

Программа на 87% точна в определении конкретного «потомства», которое в конечном итоге произведет стволовая клетка, и на 99% точна в предсказании момента, когда самообновление этих клеток закончится специализацией.

Поиск маркеров

В качестве примера полезности программы Коэн приводит использование стволовых клеток для лечения глазной болезни — макулярной дегенерации. Для успеха лечения стволовые клетки должны производить больше фоторецепторных нейронов. «Но если просто имплантировать стволовые клетки в сетчатку, могут развиться клетки других типов, — говорит он, — и это потенциально может ухудшить зрение пациента».

Поиск решения затруднялся тем, что существует очень мало маркеров, способных предсказать исход деления клеток.

Слабые поведенческие особенности, характеризующие популяции стволовых клеток с разной судьбой, сложно или невозможно распознать человеческому глазу. Инструмент Коэна, работающий на стандартном ПК, способен отслеживать и генерировать прогнозы для до 40 клеток в реальном времени. Он превосходит человеческий глаз в обнаружении различий в том, как клетки меняются со временем.

Современные методы наблюдения за живыми клетками производят терабайты данных, для анализа которых требуются огромные вычислительные мощности. Новый компьютерный кластер в CEAS был приобретен именно для такого рода исследований. Для управления прогностическими аспектами программы Коэн использовал уникально чувствительный математический подход, основанный на алгоритмической теории информации.

Ответы в ДНК

Ученые мало знают о программировании судьбы стволовых клеток, кроме того, что это многофакторный процесс.

«Во многих случаях стволовые клетки получают сигналы для развития из своей среды, — говорит Коэн. — Часть механизма программирования определяется окружающими клетками. Но как только эти клетки начинают развиваться определенным образом, их потомство продолжает идти по этому пути, даже если среда меняется. Так что в какой-то момент они запрограммированы на свою судьбу».

Исследователи разработали программное обеспечение для изоляции генов и белков, контролирующих процесс специализации. Это могло бы позволить ученым идентифицировать и в конечном итоге манипулировать этими запрограммированными механизмами.

Брайан Линк, биолог развития из Медицинского колледжа Висконсина, который работает с Коэном, но не является автором статьи в Nature Methods, будет испытывать программу для изучения поведения органелл внутри клетки как индикаторов судьбы стволовой клетки.

«Метод не идеален, — говорит Линк. — Он не говорит нам о влиянии поведения. Он говорит, что конкретное поведение важно, но не говорит, как именно».

Тем не менее, инструмент уже доказал свою эффективность. В исследовании стволовых клеток сетчатки крыс программа Коэна независимо подтвердила значимость по крайней мере одного из клеточных поведений, которое лаборатория Линка ранее идентифицировала с помощью техники манипуляции генами.