A nova ferramenta de IA visualiza a “rede social” de uma célula para ajudar a tratar o câncer

Uma rede neural baseada em inteligência artificial (IA) da primeira coisa pode analisar rapidamente e interpretar milhões de células de uma amostra de paciente, prevendo alterações moleculares no tecido. Pode potencialmente identificar onde os tratamentos personalizados podem ser mais eficazes para condições como o câncer.

O NicHecompass aproveita o poder da IA ​​generativa para criar um banco de dados visual combinando dados genômicos espaciais nos tipos de células, onde são encontrados e como eles se comunicam.

Criado por pesquisadores do Wellcome Sanger Institute, o Instituto de IA da Saúde em Helmholtz de Munique, a Universidade de Würzburg e seus colaboradores como parte da iniciativa mais ampla de atlas celulares, este é o primeiro método de IA capaz de medir e interpretar uma gama de dados da rede social de uma célula para reconhecer e analisar a célula.

Um novo artigo, publicado em Genética da naturezaIntroduz Nichecompass e detalha como pode descobrir mudanças de tecido em pacientes com câncer de mama e pulmão. Os pesquisadores mostram como o Nichecompass pode identificar como certas pessoas podem responder de maneira diferente ao tratamento – tudo em uma hora, através do poder da IA. Por fim, ajudará a desenvolver planos de terapia personalizados, destacando mudanças específicas que podem ser direcionadas em condições como o câncer.

Toda célula do corpo humano se comunica com seu ambiente e está envolvido em uma rede maior de interações. Todas as células têm recursos que permitem que sejam reconhecidos como parte de suas redes de comunicação, como quais proteínas eles têm em sua superfície. É possível conectar células semelhantes através de seus recursos.

Tecnologias genômicas espaciais e de célula única revolucionaram nossa compreensão do corpo humano e permitiram a criação de múltiplos atlas celulares profundos de diferentes tecidos e órgãos.

Esses atlas contêm informações sobre a multidão de tipos de células, onde estão e como as mudanças genéticas podem impactar a maneira como interagem entre si. Ao entender como o corpo humano funciona em nível celular, ele pode informar nossa compreensão do que acontece na doença e destacar novos alvos para o desenvolvimento de medicamentos.

Embora esses atlas incluam informações sobre onde as células são encontradas e como elas interagem em seus bairros ou redes específicos, é difícil quantificar e interpretar esses bairros e entender o que impulsiona as interações sociais das células.

Em seu estudo, os pesquisadores do Sanger Institute e seus colaboradores apresentam Nichecompass, um modelo de IA de aprendizado profundo baseado na comunicação célula a célula. Isso significa que ele aprende como as diferentes células se comunicam através de suas redes e as alinham com redes semelhantes de células, criando vizinhos dentro de tecidos por meio de recursos compartilhados.

A partir disso, o Nichecompass pode interpretar os dados, permitindo que pesquisadores e médicos façam perguntas sobre os dados e entendam melhor as condições de saúde. Por exemplo, “Como as células cancerígenas se comunicam com o ambiente ao seu redor em pacientes com câncer de pulmão?”

Usando nichoCompass, os pesquisadores combinaram dados de 10 pacientes com câncer de pulmão e conseguiram ver as semelhanças e diferenças entre indivíduos. As semelhanças ajudam a informar nossa compreensão geral do câncer, além de destacar quaisquer mudanças transcricionais que possam ser úteis para segmentar em novos tratamentos. Comparativamente, as diferenças destacam novas avenidas possíveis para medicina personalizada.

Mais dados do paciente podem ser incluídos, para que os médicos possam inserir seus próprios dados do paciente e, em uma hora, receber informações detalhadas sobre uma condição individual, ajudando a orientar as decisões clínicas.

A equipe também usou nichecompass no tecido do câncer de mama, mostrando sua eficácia em diferentes tipos de câncer.

Eles também aplicaram essa rede a um atlas espacial do cérebro de camundongo com 8,4 milhões de células e foi capaz de identificar rapidamente e corretamente as seções do cérebro e criar um recurso visual de todo o órgão. Isso demonstra como pode ser aplicado a atlas espaciais de órgãos inteiros gerados por pesquisadores em todo o mundo.

Sebastian Birk, primeiro autor do Instituto da IA ​​da Saúde, Helmholtz Munique e o Wellcome Sanger Institute, disse: “Ter uma enorme quantidade de dados sobre o corpo humano é crucial para encontrar novas maneiras de entender, prevenir e tratar doenças. No entanto, também precisamos de ferramentas que nos permitam acessar todos os benefícios que essas informações podem fornecer.

“Nichecompass é um salto significativo nesse campo, alavancando o poder da IA, mas também oferecendo interpretabilidade, permitindo que pesquisadores e médicos façam perguntas sobre seus dados e entendam melhor e tratarem doenças”.

O Dr. Carlos Talavera-López, co-senior da Universidade de Würzburg, disse: “Usando Nichecompass, conseguimos ver as diferenças na maneira como as células imunológicas interagem com os tumores de câncer de pulmão em pacientes.

“Esse aplicativo do mundo real não apenas descobriu novas informações que aumentam nosso entendimento coletivo sobre o câncer, mas também destacou um paciente cujo câncer interagiu com o sistema imunológico de maneira diferente.

“No futuro, o Nichecompass poderia ajudar a descobrir novas maneiras de aproveitar o sistema imunológico em certos cânceres, criando tratamentos personalizados que capacitam o sistema imunológico de um paciente diretamente para atingir os mecanismos de câncer”.

O Dr. Mohammad Lotfollahi, co-senior autor do Wellcome Sanger Institute, disse: “As pessoas geralmente se comunicam com suas redes com uma variedade de informações diferentes. Eles podem compartilhar desenvolvimentos do trabalho ou fotos de suas férias e, embora possam ser para amigos diferentes, todos podem ser rastreados para um indivíduo.

“A comunicação célula a célula é semelhante. As células podem usar recursos diferentes para se comunicar com sua rede social, criando comunidades ou redes em sua área local.

“O NicHecompass é o primeiro modelo de IA desse tipo que pode interpretar essas redes e responder a perguntas que podem afetar diretamente a vida dos pacientes, como destacar onde e como as condições de saúde começaram e prever como elas podem responder a certos tratamentos”.