在生物學(xué)研究中，細(xì)胞表型異質(zhì)性是許多生物過程的標(biāo)志之一。最近，一種名為AINU（人工智能 [AI] 核）的深度學(xué)習(xí)方法能夠在納米級(jí)分辨率下識(shí)別特定的核特征。

通過使用少量圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，AINU成功地識(shí)別人類體細(xì)胞和人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hiPSCs）。此外，該工具還能區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞，并且在早期階段識(shí)別出被單純皰疹病毒1型（HSV-1）感染的細(xì)胞，通過分析超分辨顯微鏡圖像中的核心組蛋白H3、RNA聚合酶II（Pol II）或DNA的空間排列，區(qū)分不同的細(xì)胞狀態(tài)。

這一研究成果發(fā)表在《自然機(jī)器智能》期刊上，標(biāo)題為《一種利用納米級(jí)核特征識(shí)別細(xì)胞異質(zhì)性的深度學(xué)習(xí)方法》。該工作為改進(jìn)診斷技術(shù)和開發(fā)新的疾病監(jiān)測(cè)策略鋪平了道路。

AINU是一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠通過掃描利用隨機(jī)光學(xué)重構(gòu)顯微鏡（STORM）獲得的高分辨率圖像，檢測(cè)并分析細(xì)胞內(nèi)部的微小結(jié)構(gòu)。STORM能夠以納米級(jí)分辨率揭示結(jié)構(gòu)變化，檢測(cè)到細(xì)胞內(nèi)部小至20納米的重組。

“這些圖像的分辨率足夠高，使我們的AI能夠以驚人的準(zhǔn)確性識(shí)別特定模式和差異，包括DNA在細(xì)胞內(nèi)排列方式的變化，這有助于在變化剛發(fā)生時(shí)就發(fā)現(xiàn)異常，”西班牙巴塞羅那基因組調(diào)控中心（CRG）的研究教授Pia Cosma博士指出?！拔覀冋J(rèn)為，有朝一日，這類信息可以為醫(yī)生爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，用于監(jiān)測(cè)疾病、個(gè)性化治療并改善患者的預(yù)后?！?/p>

這些納米級(jí)分辨率的圖像使AI能夠在細(xì)胞感染單純皰疹病毒1型后一小時(shí)內(nèi)檢測(cè)到細(xì)胞核中的變化。模型通過識(shí)別染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異來檢測(cè)病毒的存在，這些結(jié)構(gòu)在病毒感染時(shí)發(fā)生變化。

“我們的方法能夠在感染開始后不久就檢測(cè)到受病毒感染的細(xì)胞。通常，醫(yī)生依賴可見癥狀或身體的較大變化來發(fā)現(xiàn)感染，但使用AINU，我們可以立即看到細(xì)胞核中的微小變化，”巴斯克地區(qū)大學(xué)（UPV/EHU）計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能系的研究助理Ignacio Arganda-Carreras博士表示。

這項(xiàng)研究的共同第一作者、中國(guó)廣州的廣東省人民醫(yī)院（GDPH）的研究員鐘麗梅補(bǔ)充道：“研究人員可以利用這項(xiàng)技術(shù)在病毒進(jìn)入體內(nèi)后幾乎立即觀察到它們對(duì)細(xì)胞的影響，這有助于開發(fā)更好的治療方法和疫苗。在醫(yī)院和診所中，AINU可以用于快速診斷感染，只需簡(jiǎn)單的血液或組織樣本，就能使診斷過程更快更準(zhǔn)確。”

將該技術(shù)應(yīng)用于臨床的一個(gè)障礙是，STORM成像通常一次只能分析少量細(xì)胞。為了診斷目的，醫(yī)生需要在單個(gè)圖像中捕獲更多數(shù)量的細(xì)胞，以檢測(cè)或監(jiān)測(cè)疾病。

“STORM成像領(lǐng)域的快速發(fā)展意味著顯微鏡可能很快會(huì)在較小或不太專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室中普及，最終甚至可能進(jìn)入臨床?？杉靶院屯康南拗剖潜任覀冎罢J(rèn)為的更容易克服的問題，我們希望很快開展臨床前實(shí)驗(yàn)，”Cosma博士表示。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)可以非常精確地識(shí)別干細(xì)胞。AINU能夠更快、更準(zhǔn)確地檢測(cè)多能細(xì)胞，從而使干細(xì)胞療法更加安全和有效?！澳壳皺z測(cè)高質(zhì)量干細(xì)胞的方法依賴于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，”CRG的博士后研究員Davide Carnevali博士說?！叭欢?，我們的AI模型只需要使用特定標(biāo)記染色的樣本，這些標(biāo)記突出顯示了關(guān)鍵的核特征。這不僅更容易、更快速，還可以加速干細(xì)胞研究，同時(shí)促進(jìn)科學(xué)中減少動(dòng)物使用的趨勢(shì)。”

參考文獻(xiàn)：https://www.nature.com/articles/s42256-024-00883-x

編輯：王洪

排版：李麗