Изкуствен интелект, ДНК и рак

Изкуствен интелект, който дешифрира ДНК на тумори, може да доведе до нови лечения и да трансформира лечението на рак за хиляди пациенти, твърдят учените. Всеки рак има своя генетична идентичност, подобна на пръстов отпечатък, създаден от мутациите, които променят ДНК в клетките му.

Проучване, ръководено от д-р Серена Ник-Зайнал от университета в Кеймбридж, идентифицира модели на увреждане на ДНК, които показват кои пациенти са по-склонни да реагират на мощен клас лекарства, които позволяват на собствената им имунна система да атакува рака им – имунотерапиите.

След края на проучването, нейният екип създава алгоритъм, способен да открие същите група от мутации при нови пациенти. Те се надяват, че новата диагностична техника може да се използва за приспособяване на лечението към индивидуалните нужди много по-бързо, отколкото е възможно към този момент.

Алгоритъмът и проучването

Клиничният алгоритъм MMRDetect дава възможност да се идентифицират тумори, които имат „дефицити на поправянето“ и след това да се подобри персонализацията на терапиите за рак, за да се използват тези слабости.

Проучването, ръководено от изследователи от Катедрата по медицинска генетика към Университета в Кеймбридж и MRC Cancer Unit, идентифицира девет гена за поправяне на ДНК, които са критични пазители на човешкия геном от щети, причинени от кислорода и водата, както и от грешки по време на клетъчното делене.

Проучването, публикувано на 26 април 2021 в списанието Nature Cancer, предполага, че тези промени могат да служат като ключови биомаркери в прецизната медицина.

Старши авторът, д-р Серена Ник-Зайнал (на снимката отгоре), заявява: „Когато нокаутираме (изключваме) различни гени за възстановяване на ДНК, откриваме вид пръстов отпечатък на този ген или сигнален път, който бива изтрит (мутационнен подпис). След това можем да използваме тези пръстови отпечатъци, за да разберем кои възстановителни пътища са спрели да работят в тумора на всеки човек и какви лечения трябва да се използват специално за лечение на техния рак. “

Новият компютърен алгоритъм, MMRDetect, използва мутационните сигнатури (мутационнен подпис), идентифицирани в нокаутиращите експерименти, и е обучен върху данните от секвенираните цели геноми от пациенти с рак в проекта „100 000 генома“ от Британската Здравна система.

Алгоритъмът идентифицира тумори с „дефицит на поправянето“, което ги прави чувствителни към инхибитори на контролни точки и имунотерапии. След като разработи алгоритъма за тумори в това проучване, сега планът е да се разпространи за всички видове рак, взети от Genomics England.

Откъде идва увреждането на ДНК

Проучването предлага важна информация за това откъде идва увреждането на ДНК в нашите тела. Водата и кислородът са от съществено значение за живота, но са и най-големите източници на вътрешно увреждане на ДНК при хората.

Д-р Ник-Зайнал казва: „Тъй като сме живи се нуждаем от кислород и вода, но те причиняват постоянен поток на дребни повреди на ДНК в нашите клетки. Нашите пътища за възстановяване на ДНК обикновено работят за ограничаване на тези щети, поради което, когато нокаутирахме някои от ключовите гени, веднага видяхме много мутации. “

Как това ще помогне в лечението?

Мишел Мичъл, главен изпълнителен директор на Cancer Research UK, казва: „Определянето на правилните лечения за пациентите ще им даде най-добрия шанс да оцелеят след заболяването си. Имунотерапията може да бъде мощна, но не действа на всички, така че да разберем как да предскажем кога ще действа е жизненоважно, за да я направим най-полезното лечение, което може да бъде.“

„Способността ни да картографираме и извличаме полезна информация от геномите на туморите се подобри значително през последното десетилетие. Благодарение на инициативи като „Проект 100 000 генома“, ние започваме да виждаме как можем да използваме тази информация в полза на пациентите. Очакваме с нетърпение да видим как се развива това изследване и възможностите му за подпомагане на бъдещи пациенти. “

165 нови гена за рак са идентифицирани в Германия

В Германия, Обществото на Макс Планк публикува на 12 април 2021, че с помощта на компютърно машинно обучение са идентифицирали 165 нови ракови гени, непознати до сега. Екипът от изследователи от Института за молекулярна генетика Макс Планк (MPIMG) в Берлин и от Института по компютърна биология на Helmholtz Zentrum München са разработили нов алгоритъм, използващ технология за машинно обучение, за да идентифицира гените.

Техният нов алгоритъм може да предскаже кои гени причиняват рак, дори ако тяхната ДНК последователност не е променена. Екип от изследователи комбинира голямо разнообразие от данни, анализира ги с „Изкуствен интелект“ и идентифицира множество ракови гени. Това отваря нови перспективи за таргетна терапия на рака в персонализираната медицина и за развитието на биомаркери.

При рак клетките излизат извън контрол. Те се размножават и проникват в тъканите, унищожавайки органите и по този начин нарушавайки основните жизнени функции. Този неограничен растеж обикновено се предизвиква от натрупване на ДНК промени в раковите гени – т.е. мутации в тези гени, които управляват развитието на клетката. Но някои видове рак имат много малко мутирали гени, което означава, че други причини водят до заболяването в тези случаи.

Последователностите на тези гени не са непременно променени – очевидно дори нарушаването на регулацията на тези гени може да доведе до рак. Всички новоидентифицирани гени взаимодействат тясно с вече познати ракови гени и е доказано, че са от съществено значение за оцеляването на туморните клетки при експерименти с клетъчни култури.

Химиотерапия или персонализирана терапия

За разлика от конвенционалните лечения на рак като химиотерапия, персонализираната терапия подхожда към приспособяването на лекарствата точно към вида на тумора. “Целта е да се избере най-добрата терапия за всеки пациент – тоест най-ефективното лечение с най-малко странични ефекти. Освен това бихме могли да идентифицираме ракови заболявания още в ранните етапи, въз основа на техните молекулни характеристики.”

“В идеалния случай получаваме пълна картина на всички ракови гени в даден момент, което може да има различно въздействие върху прогресията на рака за различни пациенти“.

По-добри резултати чрез комбинация

„Досега повечето изследвания се фокусираха върху патогенни промени в генетичната последователност, т.е. в „градивния план“ на клетката“, казва Роман Шулте-Сасе, първи автор на публикацията. “В същото време стана ясно през последните години, че епигенетичните смущения или нерегулираната генна активност могат също да доведат до рак.“

Ето защо изследователите обединяват данни за последователността, които отразяват грешки в ДНК, с информация, която представлява събития вътре в клетката. Първоначално учените потвърдили, че мутациите или размножаването на сегменти от генома наистина са основните двигатели на рака. След това, във втора стъпка, те определили генни кандидати, които са в по-малко пряк контекст на действителния ген, управляващ рака.

“Например открихме гени, чиято последователност е най-вече непроменена при рака и въпреки това са незаменими за тумора, тъй като те регулират енергийното снабдяване,” казва Шулте-Сасе. “Тези гени са извън контрол по друг начин, напр. поради химични промени в ДНК като метилиране. Тези модификации оставят информацията за последователността непокътната, но управляват активността на гена. Такива гени са обещаващи лекарствени цели, но тъй като те работят във фонов режим, ние можем да ги намерим само чрез сложни алгоритми.”

„Само ако знаем причините за заболяването, ще можем да им противодействаме или коригираме ефективно“, казва изследователят. “Ето защо е толкова важно да се идентифицират възможно най-много механизми, които могат да предизвикат рак.”

Генетика и епигенетика

Каква е разликата между двете науки „генетика“ и „епигенетика“ и какви са разликите при развитие на рак на ниво ДНК, можете да прочетете на български език в публикацията на д-р Миглена Копринарова, която е главен асистент в Института по молекулярна биология към БАН.

Публикацията в pdf файл на български език можете да прочетете тук „Епигенетика и рак“.

По-подробна информация има и в предишната статия – “Ракът и гените“.

Генетика с проф. Весела Кристенсен

Родена в България, Весела Кристенсен е професор, член на Норвежката Академия на науките и носител на наградата на крал Олаф V за научни изследвания в областта на борбата с ракови заболявания. В следното интервю тя говори завладяващо за генетика, ракови заболявания и напредъка на науката в медицината.

Източници:

University of Cambridge – https://www.cam.ac.uk/research/news/new-cancer-algorithm-flags-genetic-weaknesses-in-tumours

“A systematic CRISPR screen defines mutational mechanisms underpinning signatures caused by replication errors and endogenous DNA damage” – Nature Cancer (26 April 2021). DOI: 10.1038/s43018-021-00200-0.

“165 new cancer genes identified with the help of machine learning”, April 12, 2021 – https://www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210412142730.htm

Каква е разликата между изкуствен интелект и машинно обучение – https://www.digital.bg/kakva-e-razlikata-mezhdu-izkustven-intelekt-i-mashinno-obuchenie-article673640.html