Týmu Rakouské akademie věd pod vedením André F. Rendeira se podařilo vycvičit systém umělé inteligence tak, aby vypočítával biologický věk různých orgánů a – což je ještě slibnější – aby detekoval jejich stopy v jednoduchém vzorku krve.
Tyto poznatky, publikované v časopise Nature Medicine, vycházejí z faktu, na který často zapomínáme: dosažení věku 50 let neznamená, že všechny naše tkáně zestárly o půl století. Srdce může zůstat relativně mladé, zatímco ledviny nebo plíce vykazují mnohem pokročilejší zhoršení stavu. V rámci jednoho těla ubíhá biologický čas různými rychlostmi.
Tisíce mikroskopických snímků jako výchozí materiál
Aby tyto rozdíly rozluštili, využili vědci obrovský zdroj: 25 712 histologických snímků 40 typů tkání od 983 osob ve věku od 20 do 70 let, všechny pocházející z projektu Genotype-Tissue Expression (GTEx). Vzorky pokrývaly 29 různých orgánů. Histologický snímek není nic jiného než fotografie pořízená mikroskopem po přípravě a obarvení řezu tkáně tak, aby byly viditelné její buněčné struktury. Pro lidské oko mohou tyto snímky vypadat jako mozaika skvrn a drobných tvarů, ale pro model hlubokého učení v sobě skrývají nesmírně cenné informace.
Díky této technologii tým vytvořil takzvané „tkáňové hodiny“: algoritmy schopné odhadnout biologický věk orgánu na základě jeho mikroskopického vzhledu. Modely dosáhly průměrné přesnosti přibližně 4,9 roku a vypočítané věky korelovaly s klasickými ukazateli stárnutí, jako je zkracování telomer, nahromaděné patologické změny a počet chronických onemocnění.
Každý orgán stárne svým vlastním tempem
Snad nejvýznamnějším objevem nebylo to, že umělá inteligence správně odhadla věk tkáně, ale že potvrdila to, co vědci tušili: jednotlivé orgány nestárnou stejným tempem. Plíce, ledviny, slinivka břišní a nadledviny vykazovaly známky zrychleného stárnutí překvapivě brzy, některé již ve věku mezi 20 a 40 lety. Jiné tkáně vykazovaly mnohem pozvolnější průběh stárnutí. Děloha naopak vykazovala obzvláště výraznou změnu v období kolem menopauzy.
Ernesto Abila, spoluautor studie, to shrnuje takto: „Zajímavé je, jak odlišně stárne každý orgán a jak se to projevuje v architektuře tkání. Hluboké učení nám umožňuje tyto prostorové vzorce rozpoznat a vnímat stárnutí jako přestavbu struktury, nikoli pouze jako molekulární změnu.“
Od molekul k tvaru tkání
Výzkum dlouhověkosti se tradičně opíral o molekulární změny: modifikace DNA, epigenetické značky, expresi genů, hladiny proteinů. Skupina Rendeira přináší doplňující dimenzi: fyzický tvar, který buňky a tkáně nabývají, také kóduje informace o našem biologickém věku.
„Naše tkáně obsahují mimořádně podrobný záznam procesu stárnutí,“ vysvětluje sám Rendeiro. „Umělá inteligence umožňuje odhalit vzorce, které lidské oko nedokáže vidět, a začít chápat, jak se tento proces v jednotlivých částech organismu odvíjí odlišně.“
Krev jako univerzální překladatel
Je zřejmé, že nikdo nebude odevzdávat vzorek mozku, jater nebo ledvin k rutinnímu vyšetření. Vědci potřebovali dostupného prostředníka a našli ho v krvi. Co kdybychom mohli tyto biologické hodiny přečíst pouhým odběrem krve?
Postup se skládal ze dvou kroků. Nejprve propojili mikroskopické vlastnosti jednotlivých tkání se vzory genové exprese přítomnými v krevních vzorcích týchž osob. Poté vytvořili modely schopné odhadnout, a to pouze na základě krve, o kolik se biologický věk každého orgánu liší od chronologického věku. Jinými slovy: naučili umělou inteligenci, jak vypadá stárnutí orgánu, a poté jí ukázali, jak rozpoznat jeho stopy v krevním řečišti.
Specifické signály u různých onemocnění
Testy byly provedeny jak na zdravých dobrovolnících, tak na pacientech s různými onemocněními, a výsledky odhalily specifické vzorce. Alzheimerova choroba, cévní mozková příhoda, Crohnova choroba, cystická fibróza, cukrovka a vaskulitida zanechávaly v krevním profilu rozpoznatelné stopy.
Nejvýraznější případy to dobře ilustrují. U lidí s Alzheimerovou chorobou se nejintenzivnější signál zrychleného stárnutí soustředil právě v mozku. U pacientů s Crohnovou chorobou směřoval vzorec k několika tkáním trávicího ústrojí. U osob, které prodělaly cévní mozkovou příhodu, byla největší odchylka rovněž zaznamenána v mozku, zatímco cystická fibróza vyvolávala obzvláště výrazný signál v ledvinách spolu s dalšími změnami.
Autoři upozorňují, že to z této analýzy nedělá nástroj pro okamžitou diagnostiku. Studie však dokazuje, že informace obsažené v krvi mohou sloužit k detekci specifických vzorců stárnutí v určitých tkáních, což otevírá cestu k dřívější diagnostice v budoucnu.
A co když nemáme jen jeden biologický věk?
„Stárnutí není pouze otázkou chronologického času,“ zdůrazňuje Yimin Zheng, další ze spoluautorů. „Různé orgány stárnou odlišným způsobem a tyto procesy se zdají být určovány kombinací systémových faktorů a faktorů specifických pro každou tkáň.“
Tento pohled vybízí k přehodnocení velmi rozšířeného pojetí. Možná neexistuje něco jako „náš biologický věk“ v jednotném čísle; možná má každý člověk tolik biologických věků, kolik má orgánů. Pokud budoucí výzkumy tyto výsledky potvrdí a upřesní, mohla by se z jednoduché zkumavky s krví stát podrobná mapa stárnutí celého našeho organismu.