Проект с открытым исходным кодом отображает биологию травмы спинного мозга в беспрецедентных подробностях

Ученые из EPFL достигли важной вехи в исследованиях в области травм спинного мозга — с беспрецедентной детализацией составили карту клеточной и молекулярной динамики паралича с помощью своего проекта с открытым исходным кодом под названием «Tabulae Paralytica».

Грегуар Куртин и его команда объединили передовые технологии клеточного и молекулярного картирования с искусственный интеллект чтобы составить схему сложных молекулярных процессов, которые разворачиваются в каждой клетке после травмы спинного мозга (ТСМ). Опубликовано в ПриродаЭта плодотворная работа не только идентифицирует конкретный набор нейронов и генов, которые играют ключевую роль в выздоровлении, но также предлагает успешную генную терапию, основанную на ее открытиях.

Понимание того, почему травмы спинного мозга практически невозможно вылечить, проливает свет на значение этого открытия. Спинной мозг человека — одна из самых сложных биологических систем, известных науке. Это механическое, химическое и электрическое соединение различных типов клеток, работающих в гармонии, чтобы производить и регулировать множество неврологических функций, включая естественную, элегантную походку. . Эта клеточная сложность усугубляет проблемы эффективного лечения паралича, вызванного рана к спинному мозгу.

До сих пор традиционные методы визуализации и картирования предлагали обобщенное представление о клеточных механизмах ТСМ. Но отсутствие специфичности размывает различные роли и реакции отдельных типов клеток и препятствует разработке таргетных методов лечения, поскольку терапию невозможно точно настроить для воздействия на конкретную клеточную динамику.

«В этом исследовании мы стремились совершить не что иное, как революцию в биологическом понимании травмы спинного мозга», — говорит Куртин. «Предлагая исключительно подробное представление о клеточной и молекулярной динамике повреждений спинного мозга у мышей в пространстве и времени, четыре клеточных атласа, входящие в состав Tabulae Paralytica, закрывают исторический пробел в знаниях, открывая путь для целенаправленного лечения и ускоренного выздоровления».

Первым методом лечения, основанным на новом понимании сложной клеточной динамики паралича, является таргетная генная терапия. Разработанная в сотрудничестве с коллегой-профессором EPFL Neuro X Бернардом Шнайдером, терапия основана на важном открытии: исследователи обнаружили, что определенный тип опорных клеток, называемый астроцитами, теряет способность реагировать на травмы у пожилых животных.

«На протяжении большей части последних ста лет считалось, что астроциты вредны для восстановления нейронов. Наши данные также подтверждают опровергание этого представления и предполагают важную защитную роль этих клеток, которую можно использовать для восстановления повреждений спинного мозга», — говорит Марк из EPFL. Андерсон, старший автор исследования.

Еще одним ключевым результатом исследования является идентификация определенного подмножества нейронов, известного как нейроны Vsx2, которые по своей природе способны способствовать восстановлению.

«Наши предыдущие исследования указывали в этом направлении, но благодаря этому новому, точно отрегулированному пониманию, мы теперь можем с уверенностью сказать, что нейроны Vsx2 в значительной степени ответственны за реорганизацию нейронных цепей, а это означает, что они, безусловно, являются наиболее интересной популяцией нейронов для восстановление травмы спинного мозга», — говорит Джордан Сквайр, еще один старший автор исследования из EPFL.

Создать первую в мире полную карту сотовой связи травмы спинного мозга в моделях грызунов исследователи применили две инновационные технологии. Первый, секвенирование отдельных клеток, исследует генетический состав каждой клетки. Хотя этот метод используется уже более десяти лет, последние достижения позволили ученым масштабировать этот процесс, как никогда раньше, создавая подробные отчеты о миллионах клеток спинного мозга.

Во-вторых, пространственная транскриптомика — передовая технология, которая показывает нам, где происходят эти клеточные активности — расширила карту по всему спинному мозгу, сохранив пространственный контекст и отношения между различными типами клеток.

Новые данные настолько обширны, что пришлось разрабатывать новые методы машинного обучения специально для использования их сложности. Этот вычислительный подход использует искусственный интеллект, чтобы не только отображать непосредственные генетические реакции отдельных клеток, но и размещать эти ответы в физическом и временном ландшафте спинного мозга.

«Теперь у нас есть подробная карта, которая не только показывает, какие клетки задействованы, но и как они взаимодействуют и изменяются в ходе процесса травмы и восстановления», — объясняет Сквайр. «Это всестороннее понимание имеет решающее значение для разработки методов лечения, которые точно адаптированы к конкретным клетки и уникальные требования к лечению различных травм, открывающие путь к более эффективным и персонализированным методам лечения».

Tabulae Paralytica является важной вехой в исследованиях ТСМ. Он сочетает в себе научное понимание и технологическая инновация открыть новые горизонты в понимании и лечении ТСМ. Хотя это исследование проводилось с использованием моделей на грызунах, ожидается, что полученные знания будут воплощены в клинических приложениях, в которых Куртин и его команда добиваются значительных успехов уже более десяти лет.