Ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση και αντιμετώπιση της ηλικιακής εκφύλισης της ωχράς κηλίδας (AMD) πραγματοποίησαν ερευνητές των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας των ΗΠΑ (NIH), αναπτύσσοντας για πρώτη φορά ένα «ψηφιακό δίδυμο» βασικών κυττάρων του ματιού.
Η καινοτόμος αυτή τεχνολογία αποκαλύπτει με πρωτοφανή λεπτομέρεια πώς τα κύτταρα των ματιών οργανώνονται σε υγιή κατάσταση και πώς αυτή η οργάνωση διαταράσσεται στη νόσο, που αποτελεί μία από τις κυριότερες αιτίες απώλειας όρασης σε άτομα άνω των 50 ετών.
Πρόκειται για το πρώτο ψηφιακό μοντέλο ανθρώπινου, πλήρως διαφοροποιημένου οφθαλμικού κυττάρου με ανάλυση σε υποκυτταρικό επίπεδο. Όπως δήλωσε ο Kapil Bharti, επιστημονικός διευθυντής στο National Eye Institute (NEI) του NIH, «το έργο αυτό αποδεικνύει ότι το μάτι αποτελεί ιδανικό πεδίο για την ανάπτυξη μεθόδων που μπορούν να εφαρμοστούν ευρύτερα στη βιοϊατρική έρευνα».
Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε ένα εξαιρετικά λεπτομερές, τρισδιάστατο και βασισμένο σε δεδομένα ψηφιακό αντίγραφο των κυττάρων του μελάγχρου επιθηλίου του αμφιβληστροειδούς (RPE). Τα κύτταρα αυτά διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη στήριξη και την «ανακύκλωση» των φωτοϋποδοχέων, δηλαδή των κυττάρων που ανιχνεύουν το φως. Σε παθήσεις όπως η AMD, τα κύτταρα RPE εκφυλίζονται και πεθαίνουν, γεγονός που οδηγεί σταδιακά και στον θάνατο των φωτοϋποδοχέων, προκαλώντας απώλεια όρασης.
Για να λειτουργούν σωστά τα κύτταρα RPE πρέπει να διαθέτουν συγκεκριμένη «πολικότητα», έναν αυστηρά οργανωμένο προσανατολισμό από πάνω προς τα κάτω. Η κορυφαία (apical) πλευρά τους είναι στραμμένη προς τους φωτοϋποδοχείς, ανακυκλώνοντας καθημερινά φθαρμένα τμήματά τους, ενώ η βασική (basal) πλευρά τους συνδέεται με την αιμάτωση, λαμβάνοντας οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά και απομακρύνοντας άχρηστα προϊόντα. Η διατήρηση αυτής της οργανωμένης δομής είναι κρίσιμη για τη φυσιολογική λειτουργία της όρασης.
Η δημιουργία του ψηφιακού μοντέλου βασίστηκε σε κύτταρα RPE που παράχθηκαν από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPS). Με τη χρήση αυτοματοποιημένου συνεστιακού μικροσκοπίου, συλλέχθηκαν τρισδιάστατα απεικονιστικά δεδομένα από 1,3 εκατομμύρια κύτταρα RPE, προερχόμενα από σχεδόν 4.000 διαφορετικά πεδία παρατήρησης.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο τεχνητής νοημοσύνης με την ονομασία POLARIS (polarity organization with learning-based analysis for RPE image segmentation). Ο αλγόριθμος εκπαιδεύτηκε ώστε να αναγνωρίζει τον πυρήνα, τα οργανίδια, το σχήμα και τον όγκο των κυττάρων, δημιουργώντας τρισδιάστατες «ετικέτες» σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης.
Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάλυση της πολικότητας, στο μέγεθος και το σχήμα των κυττάρων, στη δομή των οργανιδίων τους και στη χωρική τους οργάνωση. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα υγιή κύτταρα RPE ακολουθούν μια προβλέψιμη πορεία ωρίμανσης προς μια πλήρως πολωμένη κατάσταση.
Ο άτλαντας που προέκυψε, καθοδηγούμενος από τεχνητή νοημοσύνη, περιλαμβάνει τόσο πολωμένα όσο και μη πολωμένα κύτταρα RPE και προσφέρει στους ερευνητές ένα σημείο αναφοράς για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο ασθένειες όπως η AMD επηρεάζουν τα κύτταρα σε κυτταρικό και υποκυτταρικό επίπεδο.
Η δυνατότητα σύγκρισης της φυσιολογικής με την παθολογική κατάσταση εκτιμάται ότι μπορεί να αποδειχθεί καθοριστική για την ανακάλυψη νέων θεραπευτικών παρεμβάσεων.
Όπως τονίζει ο Bharti, η προσέγγιση του ψηφιακού διδύμου αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την ανάπτυξη θεραπειών κατά της AMD και θα μπορούσε να προσαρμοστεί για τη μελέτη και άλλων οφθαλμικών αλλά και μη οφθαλμικών παθήσεων που επηρεάζουν την κυτταρική πολικότητα.
Από την πλευρά του, ο Davide Ortolan, Ph.D., πρώτος και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο NEI, επισημαίνει ότι ο συνδυασμός τεχνητής νοημοσύνης και μαθηματικής μοντελοποίησης επιτρέπει στους επιστήμονες να «δουν» κυτταρικές διεργασίες που μέχρι σήμερα παρέμεναν αόρατες. Η τεχνολογία αυτή, όπως υπογραμμίζει, δεν συμβάλλει μόνο στην κατανόηση των μηχανισμών της AMD, αλλά προσφέρει και μια πλατφόρμα για την αναζήτηση τρόπων αποκατάστασής τους, φέρνοντας την ιατρική πιο κοντά σε στοχευμένες και αποτελεσματικές θεραπείες για την πρόληψη της απώλειας όρασης.
