La herramienta ChromAgeNet ha logrado descifrar la arquitectura de la cromatina, la organización tridimensional del ADN en el núcleo, para distinguir entre células madre sanguíneas jóvenes y envejecidas. El hallazgo abre la puerta a nuevas vías de investigación para el rejuvenecimiento celular.
El envejecimiento mina de forma paulatina la capacidad del organismo para regenerarse, afectando gravemente a la producción de células de la sangre. En esta carrera contra el reloj biológico, analizar las alteraciones de las células madre de la sangre resulta crucial para abrir la puerta a intervenciones que permitan frenar su declive y devolverles su función original.
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Un equipo científico de Barcelona ha desarrollado ChromAgeNet, una herramienta de inteligencia artificial que detecta el envejecimiento de las células madre sanguíneas analizando la estructura tridimensional de su ADN.
Publicada en la revista 'Aging Cell', la investigación, liderada por las doctoras Maria Carolina Florian (IDIBELL) y Paula Petrone (BSC-CNS/ISGlobal), demuestra que la organización de la cromatina contiene información que permite distinguir células procedentes de ratones jóvenes y envejecidos.
Un puente entre biomedicina y supercomputación
Para entrenar el modelo, las investigadoras aplicaron redes neuronales convolucionales a imágenes 3D de núcleos de células madre de ratón. ChromAgeNet recurre a redes neuronales para descifrar el envejecimiento del ADN. La IA permite detectar variaciones estructurales sutiles que resultan imperceptibles para el ojo humano.
Uno de los principales temores al usar redes neuronales en biomedicina es no saber en qué se basan para tomar decisiones. ChromAgeNet rompe esa barrera al ofrecer una IA explicable (XAI).
La herramienta logró clasificar correctamente, en promedio, alrededor del 68 % de las células como procedentes de ratones jóvenes o envejecidos a partir de imágenes obtenidas con DAPI, una tinción estándar y de bajo coste.
Además, ChromAgeNet destaca por ser una IA explicable, lo que permite investigar qué características de las imágenes contribuyen a sus predicciones. Estos análisis señalaron, entre otras regiones, cambios en la periferia del núcleo asociados al envejecimiento.
Los análisis mostraron que la cromatina se presenta compacta y organizada en los bordes del núcleo de las células jóvenes, mientras que en las envejecidas aparece dispersa. Como prueba de concepto, la herramienta evalúa cómo ciertos fármacos epigenéticos producen cambios en la organización de la cromatina compatibles con patrones más similares a los observados en células jóvenes, lo que muestra el potencial de la herramienta para el cribado de tratamientos que puedan regenerar el tejido sanguíneo y reforzar el sistema inmunitario. El código y la base de datos de imágenes ya están a disposición de la comunidad científica internacional.
Colaboración con equipos de investigación de IA
Respecto a las aplicaciones prácticas que puede tener esta investigación, la doctora Maria Carolina Florian, investigadora principal en el Instituto de Investigación Biomédica de Bellvitge (IDIBELL) explica a 'Euronews': "Actualmente, hemos desarrollado una herramienta que funciona como prueba de concepto en células madre hematopoyéticas murinas. Ahora estamos trabajando para optimizarla y adaptarla a células madre humanas, con la esperanza de utilizarla para evaluar nuevos fármacos que puedan actuar sobre la arquitectura nuclear y utilizarse para rejuvenecer células madre envejecidas".
Maria Carolina Florian explica a 'Euronews' que este trabajo "ha encontrado el terreno ideal para convertirse en una herramienta real gracias a la experiencia de la Dra. Paula Petrone (BSC e ISGlobal). Planeamos seguir desarrollándola y ampliarla para su uso con células madre humanas. Además, estamos solicitando más financiación a la UE e intentando establecer contactos con otros científicos en Europa interesados en la aplicación práctica de nuestro trabajo".
Por su lado, Paula Petrone considera que esta investigación "establece que un algoritmo de aprendizaje profundo puede distinguir entre células madre jóvenes y envejecidas a través del análisis de imágenes de los núcleos celulares teñidos con una sustancia de bajo coste llamada DAPI".
Mapas 3D y código abierto para rejuvenecer la arquitectura celular
El mapa interno del núcleo celular revela una firma inconfundible: en la juventud, la cromatina se atrinchera de forma compacta en los bordes del núcleo; con los años, esa arquitectura se desorganiza. Identificar estos patrones podría ayudar a estudiar el deterioro de las células madre de la sangre y a evaluar posibles estrategias capaces de regenerar el tejido hematopoyético y provocar un cambio en el organismo.
Para demostrar el potencial práctico del algoritmo, el equipo diseñó una prueba de concepto: aplicó la herramienta sobre células envejecidas expuestas a diversos fármacos epigenéticos. ¿El objetivo? Comprobar si las moléculas eran capaces de producir cambios en la organización de la cromatina compatibles con un estado más joven.
Para acelerar nuevos hallazgos, el equipo ha liberado el código de la herramienta y una base de datos pública con imágenes 3D de células madre, con la vista puesta en hallar fármacos que refuercen el sistema inmunitario y la calidad de vida en la vejez.
Numerosos estudios internacionales respaldan la evidencia del papel fundamental del sistema inmunitario en el envejecimiento del organismo, tal como asegura Maria Carolina Florian: "En nuestro laboratorio, hemos contribuido demostrando la posibilidad de estimular y rejuvenecer las células madre hematopoyéticas envejecidas para mejorar no solo la función del sistema inmunitario, sino también la esperanza de vida y la salud del organismo en su conjunto".
Promesa a largo plazo, prudencia en el presente: la ciencia tras ChromAgeNet pide cautela
La nueva herramienta ChromAgeNet ayudará a comprender los mecanismos moleculares básicos implicados en el envejecimiento de las células madre hematopoyéticas, los cuales pueden ser objeto de terapia para su rejuvenecimiento. "Esperamos ampliar nuestro conocimiento, consolidar nuestros hallazgos e identificar nuevas herramientas y fármacos para mejorar la función de las células madre hematopoyéticas envejecidas", concluye la investigadora Florian.
"En el futuro, esta técnica podría utilizarse para el cribado de nuevos fármacos con potencial rejuvenecedor. De esta forma, al tratar células envejecidas con distintos compuestos candidatos, la IA podría identificar, a través del análisis de estas imágenes, aquellos que provocan cambios compatibles con un estado más joven", asegura a 'Euronews' Paula Petrone.
Para la doctora Petrone, "prolongar la esperanza de vida no es, tan importante como prolongar la esperanza de vida saludable. El descubrimiento de nuevos fármacos con potencial rejuvenecedor podría contribuir, por ejemplo, a mejorar el envejecimiento del sistema inmunitario y favorecer así un envejecimiento más saludable".
La investigadora, sin embargo, insiste en 'Euronews' en mantener la cautela: "Hemos de ser muy cautos para no sobreestimar nuestros resultados. Estas nuevas tecnologías tardan años en desarrollarse, validarse y, eventualmente, llegar a la clínica. Nuestra investigación aporta solo un grano de arena al estudio de cómo envejecemos y a la búsqueda de estrategias que puedan favorecer un envejecimiento saludable"