Cellen in een embryo praten met elkaar via chemische signalen. Die signalen bepalen of een stamcel uiteindelijk een hart-, darm- of longcel wordt. Onderzoekers van MIT en het Whitehead Institute hebben nu een AI-model ontwikkeld dat die "gesprekken" achteraf kan reconstrueren. Het model heet IRIS.
Een vingerafdruk per signaal
Wetenschappers gingen er lang van uit dat een signaalroute in elk celtype een ander effect heeft. Dan zou je elke route per celtype apart moeten onderzoeken, een enorm karwei. Het team van biologe Pulin Li en promovendus Nicholas Hutchins ontdekte dat elke signaalroute een herkenbaar patroon in de genactiviteit achterlaat, een soort vingerafdruk. En die vingerafdruk is in verschillende celtypen hetzelfde.
IRIS is een neuraal netwerk dat die vingerafdrukken herkent. Het kijkt naar de totale genactiviteit van een cel en schat in welke signaalroutes op welk moment actief waren. Li vergelijkt het met spraakherkenning die vooral op Engels is getraind en die kennis gebruikt om andere talen te leren. Daardoor werkt IRIS ook bij celtypen die het nog niet eerder zag.
Getest in muizenembryo's
Het model is getraind op experimenten waarin duizenden menselijke embryonale stamcellen werden blootgesteld aan combinaties van zes belangrijke signaalroutes. Daarna testten de onderzoekers het op cellen uit muizenembryo's. IRIS voorspelde volgens MIT nauwkeurig wanneer en waar bepaalde signalen actief werden in cellen die later hart, darm, spier of ruggenmerg vormen.
Ook deed het model een voorspelling over welk signaal nodig is voor een celtype dat belangrijk is bij de ontwikkeling van de longen. Experimenten in muizenembryo's bevestigden die voorspelling. De resultaten zijn open toegankelijk gepubliceerd in het tijdschrift Nature Methods.
Wat betekent dit?
Voor patiënten verandert er voorlopig niets; dit is fundamenteel onderzoek. Maar als onderzoekers weten welke signalen een stamcel tot een bepaald celtype maken, kunnen ze die signalen in het lab nabootsen. Dat kan helpen bij het kweken van organoïden, kleine nagebootste organen waarmee je ziekten bestudeert en medicijnen test. De onderzoekers noemen longziekten zoals astma, longkanker en longfibrose als voorbeelden. Op langere termijn kan het bijdragen aan behandelingen die beschadigd weefsel herstellen.
