人工智能加速ALS研究中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元分析與篩選-肽度TIMEDOO

京都大學(xué)的研究突破

日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，帶領(lǐng)者為著名科學(xué)家岡野英幸（Hideyuki Okano）博士，近期發(fā)表了一項(xiàng)重大研究成果：一種通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）高效培養(yǎng)脊髓下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（LMNs）的方法。這一突破為研究肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）及開發(fā)新藥帶來了新的希望。

此方法顯著縮短了培養(yǎng)功能性神經(jīng)元所需的時(shí)間，同時(shí)提高了誘導(dǎo)效率。研究負(fù)責(zé)人森本悟（Satoru Morimoto）博士表示，這種簡(jiǎn)化的培養(yǎng)流程將有助于加速ALS的研究進(jìn)程，尤其是針對(duì)占病例總數(shù)90%以上的散發(fā)性ALS患者，為大規(guī)模藥物篩選提供了可能。

相關(guān)研究成果已發(fā)表在《干細(xì)胞報(bào)告》（Stem Cell Reports）雜志，文章標(biāo)題為《通過單細(xì)胞成像快速誘導(dǎo)人類脊髓下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元并開展穩(wěn)健的ALS細(xì)胞篩選》。

人工智能加速ALS研究中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元分析與篩選-肽度TIMEDOO

ALS研究中的挑戰(zhàn)與新方法

ALS是一種異質(zhì)性極高的神經(jīng)退行性疾病，散發(fā)性患者的個(gè)體差異極大，為研究和治療帶來重大挑戰(zhàn)。森本博士指出，為深入理解疾病機(jī)制，科學(xué)家需要分析大量患者的病例，以彌補(bǔ)個(gè)體差異帶來的研究難題。

為此，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將小分子化合物方法與轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，成功在兩周內(nèi)以80%的高效率誘導(dǎo)出LMNs。這些神經(jīng)元不僅能夠復(fù)制ALS患者特有的病理特征（如TDP-43和FUS蛋白異常聚集），還展示出與成熟神經(jīng)元相似的電活動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)活性。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這些LMNs還表現(xiàn)出ALS神經(jīng)元的典型特征，例如細(xì)胞存活率顯著低于健康神經(jīng)元。這一平臺(tái)為研究ALS的細(xì)胞脆弱性提供了強(qiáng)大的工具，也為藥物篩選打開了新的大門。

人工智能技術(shù)的引入

在實(shí)現(xiàn)高效誘導(dǎo)的過程中，團(tuán)隊(duì)面臨的主要挑戰(zhàn)是如何在短時(shí)間內(nèi)保證細(xì)胞純度并克服樣本異質(zhì)性，以滿足大規(guī)模多樣本分析的需求。為此，研究團(tuán)隊(duì)引入了人工智能（AI）技術(shù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和AI驅(qū)動(dòng)的圖像分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活細(xì)胞形態(tài)及存活率的單細(xì)胞追蹤評(píng)估，從而剔除非LMN細(xì)胞的干擾。

AI技術(shù)的應(yīng)用極大提高了細(xì)胞表型識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率，同時(shí)還能檢測(cè)微小變化并預(yù)測(cè)疾病進(jìn)程。森本博士認(rèn)為，AI驅(qū)動(dòng)的工具不僅簡(jiǎn)化了過去耗時(shí)費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)流程，還為細(xì)胞培養(yǎng)條件的優(yōu)化和復(fù)雜數(shù)據(jù)集的分析提供了可能性。

未來展望

森本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步研究通過LMNs模型模擬ALS細(xì)胞對(duì)藥物的響應(yīng)。他們的主要目標(biāo)包括：

  1. 揭示散發(fā)性ALS的發(fā)病機(jī)制；
  2. 開發(fā)針對(duì)每位散發(fā)性ALS患者的個(gè)性化治療藥物；
  3. 將iPS細(xì)胞衍生的神經(jīng)元作為ALS患者的生物標(biāo)志物。

盡管目前的技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求和減少實(shí)驗(yàn)變異性，但研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一方法的潛力充滿信心。森本博士表示，這一項(xiàng)目的成功離不開團(tuán)隊(duì)在干細(xì)胞生物學(xué)、時(shí)間延遲成像以及機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的跨學(xué)科合作。他期望未來能夠與全球更多的科學(xué)家合作，早日找到治愈ALS的方法。

參考文獻(xiàn)：https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(24)00321-7

編輯：王洪

排版：李麗