Машинное обучение различает P2X7

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12673 (2023) Цитировать эту статью

1373 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Аденозинтрифосфат (АТФ) — внеклеточная сигнальная молекула, которая в основном влияет на патофизиологическую ситуацию в организме и может восприниматься пуринергическими рецепторами, в том числе ионотропными Р2Х7. Нейрональные стволовые клетки (НСК) остаются в тканях взрослых нейронов и могут вносить вклад в физиологические процессы посредством активации вызванными патофизиологическими ситуациями. В этом исследовании мы обнаружили, что индуцированные человеком НСК, полученные из плюрипотентных стволовых клеток (иНСК), обладают способностью воспринимать АТФ, прежде всего, через пуринергический и ионотропный рецептор P2X7. Затем, чтобы разработать основанную на машинном обучении (ML) систему скрининга эффективных для нейронов веществ пищевого происхождения и их эффективных доз, мы собрали кальциевые реакции, запускаемые АТФ, у iNSC, предварительно обработанных несколькими веществами и дозами. Наконец, мы обнаружили, что ML выполнялся с использованием составных изображений, каждое из которых содержало девять изображений сигналов, для достижения лучшей модели ML (MLM) с более высокой точностью. Наш MLM может правильно отсортировать тонкие неопознанные изменения в формах волн, производимых предварительно обработанными иНСК каждым веществом и/или дозой, в положительную группу, при этом общие изменения экспрессии мРНК относятся к сигнатурам онтологии генов.

Мозг, как известно, является самым сложным и гибким органом в организме. На развитие нейронной сети в мозге плода могут влиять химические вещества, которые проходят через плацентарный барьер1,2. После рождения человеческий мозг продолжает расти и развивать функциональные нейронные сети, которые получают внешнюю стимуляцию в виде значимой информации. Однако послеродовое воздействие нейротоксичных веществ, таких как полихлорированный дифенил, может иметь негативные последствия для умственного и моторного развития3. Даже во взрослом мозге необходимо поддерживать устоявшиеся важные нейронные сети, а новые сети необходимо развивать до самой смерти4. Недавние исследования показали, что мозг взрослого человека содержит нервные стволовые клетки (НСК) для нейрогенеза de novo с целью регенерации и/или создания новых сетей5. Для поддержания баланса между гомеостазом и изменениями нейрональных сетей необходимо изучение эффективных нейрональных доз поступающих в организм веществ.

Еда и напитки являются наиболее распространенными источниками питательных веществ и нейрональных веществ, включая нейротоксины6. В современных промышленно развитых странах на рынок выходит несколько новых продуктов питания и добавок, которые плохо потребляются. Например, добавки для похудения, содержащие сибутрамин, могут вызвать серьезные проблемы со здоровьем7. Помимо чистых нейротоксинов, важно знать эффективные дозы ежедневной пищи, содержащей вещества, влияющие на нейроны, такие как кофеин, алкоголь и теанин.

Нейрональные эффекты в основном тестировались на животных. Однако для решения проблем, связанных с благополучием животных, необходимо разработать альтернативные методы прогнозирования нейротоксичности. Индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки (hiPSC) являются идеальным ресурсом для систем токсикологического скрининга, поскольку они могут обеспечить различные типы нейрональных клеток с меньшими этическими проблемами. Многие сообщения показали, что нейроны, полученные из hiPSC, полезны для оценки и характеристики нейротоксичности конкретных веществ, связанных с гибелью клеток или синаптогенезом8,9. Однако на сегодняшний день ни одна система скрининга не может в зависимости от дозы разделить общие пищевые вещества на группы с нейрональными эффектами или без них.

Аденозинтрифосфат (АТФ) является основным пуринергическим мессенджером, который служит индикатором повреждения головного мозга10. Концентрация АТФ отражает тяжесть повреждения, поскольку поврежденные клетки бесконтрольно выделяют АТФ. Внеклеточный АТФ может приводить к циклу «повреждения, вызванного повреждением» посредством индукции прямой гибели нейрональных клеток и воспалительных реакций микроглии11. АТФ воспринимается пуринергическими рецепторами, из которых P2X7 широко экспрессируется в возбудимых клетках, включая клетки-предшественники нейронов, полученные из плюрипотентных стволовых клеток человека, астроциты, микроглиоподобные клетки и нейроны12. Однако функциональность P2X7 в iNSC человека остается неясной.