Углеродные нанотрубки и машинное обучение: новый способ выявить тонкие различия иммунных клеток

Ранняя диагностика критически важна для профилактики и лечения заболеваний. Многие болезни можно выявить не только по физическим признакам, но и по изменениям на клеточном и молекулярном уровне.

Исследователи из Университета Род-Айленда — доцент химической инженерии Дэниел Роксбери и недавний выпускник докторантуры Асир Надим — представили в журнале ACS Nano доказательство концепции. Они показали, как использование углеродных нанотрубок в сочетании с машинным обучением позволяет обнаруживать тонкие различия между близкородственными иммунными клетками.

Как работают нанотрубки в клетках

Углеродные нанотрубки состоят из одного листа атомов углерода и настолько малы, что тысячи из них могут поместиться внутри живой клетки. Их уникальное свойство — флуоресценция: при воздействии инфракрасного света они излучают особый оптический сигнал.

«Когда нанотрубки добавляют в клетки, по испускаемому ими свету можно обнаружить минимальные различия между близкородственными клетками», — пояснил Роксбери.

Излучая инфракрасный свет разного спектра, нанотрубки позволяют детектировать различные клеточные изменения: уровни pH, концентрации белков и вариации ионов. Это особенно важно, поскольку исследования показывают, что высокий уровень pH связан с повышенной вероятностью опухоли.

Эксперимент и роль машинного обучения

Ученые провели эксперимент in vitro: поместили живые клетки (макрофаги типов M1 и M2) в чашку Петри, добавили углеродные нанотрубки и с помощью специализированного микроскопа с инфракрасной камерой наблюдали за светом, излучаемым каждой клеткой.

Камера генерировала миллионы точек данных, каждая из которых отражала клеточную активность. Здоровые клетки излучали один тип света, а потенциально нездоровые или изменяющиеся — другие световые паттерны.

«Анализ данных занял больше всего времени, — сказал Надим. — Именно здесь в проект интегрировали машинное обучение, так как мы получили около 4 миллионов и более точек данных».

Использование машинного обучения позволило исследователям преобразовать эти миллионы точек данных в комплексное понимание происходящего на клеточном уровне, например, высокой или низкой кислотности.

Перспективы для диагностики болезней

Изначально Надим разрабатывал новые сенсоры на основе углеродных нанотрубок для обнаружения в крови белков, помогающих выявить рак. Часть его мотивации связана с семейной историей болезни Альцгеймера и желанием создать лучшие методы ранней диагностики.

«Я хотел найти способ диагностировать эти болезни — нейродегенеративные, а также рак — на самых ранних стадиях», — отметил Надим.

«Как прямое продолжение работы Асира, мы сейчас работаем над различением раковых и нераковых клеток, — добавил Роксбери. — Мы продемонстрировали различия иммунных клеток. Теперь изучаем клетки и ткани рака молочной железы в сравнении со здоровой тканью, пытаясь выявить разницу».

Хотя до экспериментов на животных еще далеко, потенциальное применение в индустрии обширно. Нанотрубки потенциально можно использовать внутри человеческого тела для раннего обнаружения не только рака, но и болезней Альцгеймера и других, что сделает диагностику менее дорогой и более быстрой.

«Все эти различные болезни имеют свои собственные отчетливые биомаркеры, даже на самой ранней стадии, — заключил Надим. — Так что существует огромный потенциал для использования этого в качестве инструмента ранней диагностики многих заболеваний».