פריצת דרך בדמנציה: בינה מלאכותית חדשה פותרת בתוך דקות אתגר שייקח למדענים מוחיים שבועות

צבירת חלבון עומדת בבסיס מחלות ניווניות רבות המשפיעות על המוח, כולל אלצהיימר ודמנציה. מדענים מאוניברסיטת קופנהגן יצרו מכשיר חדש לזיהוי וניתוח של אשכולות חלבון קטנים אלה. פריצת דרך זו מציעה תובנות מעמיקות יותר לגבי המרכיבים הבסיסיים של הגוף ומשפרת את הפוטנציאל לטיפולים משופרים במצבים כמו סרטן, אלצהיימר ופרקינסון.

כמעט 100,000 דנים בני 65 ומעלה, יחד עם יותר מ-55 מיליון אנשים ברחבי העולם, סובלים ממצבים הקשורים לדמנציה כמו אלצהיימר ופרקינסון. הפרעות אלו מקורן כאשר מרכיבים תאיים זעירים מתקבצים ופוגעים בתפקודי הגוף החיוניים. הסיבות להתרחשויות הללו והטיפול בהן ממשיכות לחמוק מהמדענים. עד לאחרונה, חקר המחלות הללו היה קשה ביותר בגלל היעדר כלים מתאימים.

כעת, חוקרים ממעבדת Hatzakis במחלקה לכימיה של אוניברסיטת קופנהגן המציאו למידת מכונה אלגוריתם שיכול לעקוב אחר גושים מתחת למיקרוסקופ בזמן אמת. האלגוריתם יכול למפות ולעקוב באופן אוטומטי אחר המאפיינים החשובים של אבני הבניין המגושמות שגורמות לאלצהיימר והפרעות ניווניות אחרות. עד עכשיו זה היה בלתי אפשרי.

"בתוך דקות, האלגוריתם שלנו פותר אתגר שייקח לחוקרים מספר שבועות. זה יהיה קל יותר לחקור תמונות מיקרוסקופיות של חלבונים מתקבצים בתקווה לתרום לידע שלנו, ובטווח הארוך יוביל לטיפולים חדשים להפרעות מוחיות נוירודגנרטיביות", אומר הדוקטור יעקב קסטל-האנסן מהמחלקה לכימיה, אשר, לצד ניקוס חאצקיס, הוביל את צוות המחקר מאחורי האלגוריתם.

המחקר פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי תקשורת טבע.

חלבונים מיקרוסקופיים זוהו תוך זמן קצר

ההתכנסות וההחלפה של תרכובות ואותות בין חלבונים ומולקולות אחרות מתרחשת מיליארדי פעמים בתוך התאים שלנו בתהליכים טבעיים המאפשרים לגופנו לתפקד. אבל כאשר מתרחשות שגיאות, חלבונים יכולים להתקבץ יחד בדרכים המפריעות ליכולתם לעבוד כמתוכנן. בין היתר, הדבר עלול להוביל להפרעות ניווניות במוח ולסרטן.

אלגוריתם למידת מכונה של החוקרים יכול לזהות גושים של חלבון עד למיליארדית המטר בתמונות מיקרוסקופיות. במקביל, האלגוריתם יכול לספור ולאחר מכן לקבץ גושים לפי צורותיהם וגדליהם, כל זאת תוך מעקב אחר התפתחותם לאורך זמן. להופעת הגושים יכולה להיות השפעה גדולה על תפקודם ועל אופן התנהלותם בגוף, לטוב ולרע.

"כאשר לומדים גושים דרך מיקרוסקופ, רואים במהירות, למשל, שחלקם עגולים יותר, בעוד שלאחרים יש מבנים חוטיים. וכן, הצורה המדויקת שלהם יכולה להשתנות בהתאם להפרעה שהם מעוררים. אבל לשבת ולספור אותם ידנית אלפים רבים של פעמים לוקח הרבה מאוד זמן, שאפשר לבזבז אותו טוב יותר על דברים אחרים", אומר סטין בנדר מהמחלקה לכימיה, המחבר הראשון של המאמר.

בעתיד, האלגוריתם יקל הרבה יותר ללמוד מדוע נוצרים גושים כדי שנוכל לפתח תרופות וטיפולים חדשים להילחם בהפרעות אלו.

"ההבנה הבסיסית של הגושים הללו תלויה בכך שנוכל לראות, לעקוב ולכמת אותם, ולתאר איך הם נראים לאורך זמן. אין שיטות אחרות שיכולות לעשות זאת באופן אוטומטי ואפקטיבי כרגע", הוא אומר.

הכלים זמינים בחינם לכולם

חוקרי המחלקה לכימיה נמצאים כעת בעיצומו של שימוש בכלי לעריכת ניסויים בו אִינסוּלִין מולקולות. כאשר מולקולות האינסולין מתקבצות, יכולתן לווסת את רמת הסוכר בדם שלנו נחלשת.

"אנחנו רואים את הגיבוש הלא רצוי הזה גם במולקולות האינסולין. הכלי החדש שלנו יכול לאפשר לנו לראות כיצד הגושים הללו מושפעים מכל התרכובות שאנו מוסיפים. בדרך זו, המודל יכול לעזור לנו לעבוד לקראת ההבנה כיצד לעצור או להפוך אותם לגושים פחות מסוכנים או יציבים יותר", מסביר יעקב קסטל-האנסן.

לפיכך, החוקרים רואים פוטנציאל גדול ביכולת להשתמש בכלי לפיתוח תרופות חדשות לאחר שאבני הבניין המיקרוסקופיות זוהו בבירור. החוקרים מקווים שעבודתם תתחיל איסוף ידע מקיף יותר על הצורות והתפקודים של חלבונים ומולקולות.

"כאשר חוקרים אחרים ברחבי העולם יתחילו לפרוס את הכלי, הוא יעזור ליצור ספרייה גדולה של מבני מולקולות וחלבונים הקשורים להפרעות שונות ולביולוגיה בכלל. זה יאפשר לנו להבין טוב יותר מחלות ולנסות לעצור אותן", מסכם ניקוס חאצקיס מהמחלקה לכימיה.

המחקר בוצע על ידי: Steen WB Bender, Marcus W. Dreisler, Min Zhang, Jacob Kæstel-Hansen ו-Nikos S. Hatzakis מהמחלקה לכימיה בתמיכת מרכז נובו נורדיסק ל-Novo Nordisk Foundation for Optimized Oligo Escape and Control of Disease.