Model AI detekuje mozkové nádory s vysokou přesností pomocí epigenetických otisků prstů

Obrázek MRI ukazuje mozkový nádor v nepříznivém místě – a biopsie mozku bude znamenat vysoká rizika pro pacienta, který nás konzultoval kvůli dvojímu vidění. Situace, jako je tato případová diskuse, citované například v multidisciplinárním týmu odborníků na léčbu rakoviny přiměly vědce na charité – Universitätsmezin Berlin společně s partnery pro spolupráci, aby hledali nové diagnostické postupy. Výsledkem je model AI. Model využívá specifické vlastnosti v genetickém materiálu nádorů – jejich epigenetický otisk prstu, například například z mozkomíšního moku. Jak ukazuje tým v časopise Rakovina přírodyNový model klasifikuje nádory rychle a velmi spolehlivě.

Dnes je známo mnohem více typů nádorů než orgány, z nichž vycházejí. Každý nádor má své vlastní vlastnosti, určité tkáňové rysy, rychlost růstu a metabolické zvláštnosti. Nicméně typy nádorů s podobnými molekulárními charakteristikami mohou být seskupeny dohromady. Léčba individuálního onemocnění rozhodně závisí na typu nádoru. Nové, cílené terapie se zabývají určitými strukturami nádorových buněk nebo blokují jejich signální dráhy, aby zastavily růst patologické tkáně. Chemoterapie mohou být vybrány podle typu nádoru a jejich dávkování odpovídajícím způsobem. Zejména v případě vzácných typů nádorů může být možné v rámci studií pokračovat v inovativních terapiích.

Na pozadí stále personalizovanějšího a rychle se rozvíjejícího léku na rakovinu je přesná diagnóza v certifikovaném nádorovém centru cestou vpřed pro úspěšnou léčbu. ““

Martin E. Crice, hlavní lékař na charitě

Zatímco komplexní molekulární, buněčná a funkční analýza nádoru založeného na vzorcích tkání poskytuje nezbytné informace, lékaři jsou také konfrontováni s případy, kdy není možné nebo velmi riskantní extrahovat vzorky tkáně z nádoru. A co víc, ani samotné histologické vyšetření není schopné poskytnout tak přesnou diagnózu jako nový model AI.

Pohled do genomu místo do tkáně

Byla stanovena metoda pro charakterizaci mozkových nádorů, které nejsou založeny na konvenční mikroskopické diagnostice, ale namísto na úpravách genetického materiálu nádoru, epigenetických charakteristikách. Jsou součástí paměti každé buňky a určují, které části genetických informací jsou čteny a kdy. „Stovky tisíc epigenetických modifikací fungují jako zapnuté a vypnuté přepínače pro jednotlivé genové řezy. Jejich vzory tvoří jedinečný, nezaměnitelný otisky prstů,“ vysvětluje Dr. Philipp Euskirchen, vědec v berlínském místě německého konsorcia Cancer Consortium a v Institutu neuropatologie v Charité, který vedl nedávno publikované studium. „V nádorových buňkách se epigenetické informace mění charakteristickým způsobem. Na základě jejich profilů můžeme rozlišovat mezi nádory a klasifikovat je.“ V případě nádorů mozku je i vzorek mozkomíšního moku v některých případech dostatečný a lze jej získat relativně snadno – vydávání s chirurgickým zákrokem.

Za účelem porovnání neznámého otisku prstu s tisíci známých otisků prstů různých rakovin a přiřazení ke specifickému typu nádoru, jsou vyžadovány metody strojového učení, tj. Umělá inteligence, vzhledem k tomu, že data jsou velmi rozsáhlá a složitá. V minulosti byly použity různé metody sekvenování DNA. Kromě toho jsou epigenetické analýzy obvykle omezeny na definované vzory a genové segmenty, které jsou typické pro jednotlivé typy nádorů. „V důsledku toho bylo naším cílem vyvinout model, který přesně klasifikuje nádory, i když jsou založeny pouze na částech celého epigenomu nádoru nebo profily byly shromážděny pomocí různých technik a měnící se stupně přesnosti,“ jako Bioinformatian Dr. Sören Lukassen, pracovní skupiny Berlin (BiH) (BiH) (Bioh).

Spolehlivé a sledovatelné

Nově vyvinutý model AI jde podle názvu Crossnn, jehož architektura je založena na jednoduché neuronové síti. Model byl vyškolen s velkým počtem referenčních nádorů a následně testován na více než 5 000 nádorech. „Náš model umožňuje velmi přesnou diagnózu nádorů mozku v 99,1 procentech všech případů a je přesnější než řešení AI při dosud,“ jak souvisí Philipp Euskirchen. „Kromě toho jsme byli schopni trénovat model AI stejným způsobem, který může rozlišovat mezi více než 170 typy nádorů od všech orgánů, přičemž jsme dosáhli přesnosti 97,8 procenta. To znamená, že může být použit pro rakovinu všech orgánů, kromě relativně vzácných mozkových nádorů.“ Rozhodujícím faktorem pro budoucí schválení v klinické aplikaci je to, že modely jsou plně vysvětlitelné, tj. Musí být možné pochopit, jak jsou rozhodnutí dostupná.

Molekulární otisk prstu, který model AI dostává pro stanovení, může pocházet ze vzorku tkáně nebo z tělesných tekutin. V případě specifických mozkových nádorů již ministerstvo neuropatologie v Charité již nabízí neinvazivní diagnostiku založenou na mozkomíšní tekutině, známé jako kapalina biopsie. To umožňuje, aby byla diagnóza provedena bez stresujícího provozu, také v obtížných situacích. Jedním z příjemců byl pacient, který nás konzultoval s dvojitým viděním. „Zkoumali jsme mozkomíšskou tekutinu pomocí sekvenování Nanopore, nové, velmi rychlé a efektivní formy genetické analýzy. Klasifikace našimi modely odhalila, že to byl lymfom Central nervový systémUmožňuje nám okamžitě zahájit vhodnou chemoterapii, “vysvětluje Philipp Euskirchen.

Crossnn v klinických studiích

Přesnost metodologie dokonce překvapila vědci. „Ačkoliv architektura našeho modelu AI je mnohem jednodušší než předchozí přístupy, a proto zůstává vysvětlitelné, přináší přesnější předpovědi, a proto větší diagnostickou jistotu,“ říká Sören Lukassen. Spolu s německým konsorciem rakoviny (DKTK) proto výzkumný tým plánuje klinické studie s Crossnn na všech osmi místech DKTK v Německu. Kromě toho má být také testováno intraoperační použití. Cílem je přenést přesné a poměrně levné stanovení nádoru na základě vzorků DNA do rutinní péče.