Genezing van kanker valt of staat met vroege opsporing. Op dat gebied hebben Spaanse wetenschappers nu een doorbraak bereikt: met extreem scherpe microscopische beelden en kunstmatige intelligentie kunnen ze kankercellen met ongekende precisie onderscheiden van gezonde cellen.
De AI heet AINU (AI of the Nucleus) en is ontwikkeld door onderzoekers uit Barcelona en Baskenland. AINU analyseert beelden van cellen met een buitengewoon hoge resolutie, die zijn verkregen via STORM (STochastic Optical Reconstruction Microscopy). Deze techniek legt details vast die ver buiten het bereik van normale microscopen liggen. Zo ontstaat een haarscherpe kijk op het binnenste van een cel en is de structuur te zien op nanoschaal. De spectaculaire analyse van microscopische beelden zou een betere diagnose en behandeling mogelijk moeten maken.
5000 keer dunner dan een haar
Om je een idee te geven: een nanometer (nm) is een miljardste van een meter, een menselijke haar is ongeveer 100.000 nm breed. AINU kan veranderingen binnen cellen opsporen die slechts 20 nm groot zijn – dat is 5000 keer kleiner dan een haar. Deze veranderingen zijn veel te klein en subtiel om met traditionele methoden op te merken. “De resolutie van deze beelden is zó krachtig dat onze AI specifieke patronen en verschillen kan herkennen, die normaal verborgen zouden blijven. Een voorbeeld is de wijze waarop DNA binnen cellen is gerangschikt, en veranderingen hierin. Het is nu mogelijk om bepaalde afwijkingen vroegtijdig op te sporen”, zegt hoofdonderzoeker Pia Cosma.
Moleculaire ‘gezichtsherkenning’
AINU is een zogenaamd Convolutioneel Neuraal Netwerk (CNN), ook bekend als ConvNets. Dit type AI is speciaal ontworpen om visuele data te analyseren. Denk aan gezichtsherkenning bij smartphones of zelfrijdende auto’s die objecten op de weg herkennen. In de geneeskunde worden zulke netwerken al gebruikt om medische beelden zoals mammogrammen of CT-scans te analyseren en mogelijke tekenen van kanker op te sporen die het menselijk oog niet kan herkennen. AINU gaat echter een stap verder en detecteert microscopisch kleine structuren binnen cellen op moleculair niveau. Het model is getraind met nanoschaalresolutiebeelden van celkernen van verschillende celtypen. Hierdoor herkent de AI patronen, zoals de manier waarop onderdelen van de celkern zijn gerangschikt in drie dimensies.
Kankercellen vertonen bijvoorbeeld specifieke veranderingen in hun nucleaire structuur: de organisatie van hun DNA en de verdeling van enzymen binnen de kern is vaak anders. Na training kan AINU nieuwe beelden van celkernen analyseren en ze classificeren als kankercellen of normale cellen op basis van deze kenmerken.
Razendsnelle detectie van virusinfecties
De AI toont niet alleen zijn kracht in het onderscheiden van kankercellen, maar ook in de vroege detectie van virusinfecties. Zo kon AINU al een uur nadat een cel was geïnfecteerd met het herpes simplex-virus, dat onder andere een koortslip kan veroorzaken, veranderingen in de celkern waarnemen. Het model herkende het virus doordat het subtiele verschillen vond in hoe strak het DNA is verpakt. “Onze methode kan cellen die door een virus zijn geïnfecteerd heel snel opsporen, bijna meteen nadat de infectie begint”, legt onderzoeker Ignacio Arganda-Carreras uit. “Normaal gesproken kost het artsen meer tijd om een infectie te herkennen, omdat ze wachten op zichtbare symptomen. Maar met AINU kunnen we direct subtiele veranderingen in de celkern waarnemen.”
Praktische toepassingen
Voordat deze technologie klaar is voor klinische toepassingen, is er helaas nog een lange weg te gaan. De STORM-beelden kunnen alleen worden gemaakt met gespecialiseerde apparatuur die peperduur is en enkel in geavanceerde onderzoeksfaciliteiten is te vinden. Bovendien analyseert STORM slechts enkele cellen per keer, terwijl het voor diagnostische doeleinden vaak nodig is om veel meer cellen in één keer te bekijken. Maar er is hoop. “Er worden snelle vorderingen gemaakt in de STORM-microscopie, wat betekent dat de microscopen binnenkort beschikbaar komen in kleinere laboratoria, en uiteindelijk zelfs in klinieken”, zegt Cosma.
Hoewel het dus nog even kan duren voordat de voordelen van AINU in de praktijk worden gebracht, is de technologie nu al bezig om wetenschappelijk onderzoek te versnellen. Het team ontdekte bijvoorbeeld dat AINU steengoed is in het identificeren van stamcellen. Deze bijzondere cellen kunnen zich ontwikkelen tot elk celtype in het lichaam, en zijn erg interessant vanwege hun vermogen om beschadigd weefsel te herstellen.
Pluripotent
AINU kan het detectieproces van deze pluripotente cellen versnellen en nauwkeuriger maken. Uiteindelijk worden stamceltherapieën zo veiliger en effectiever. “Huidige methoden om stamcellen van hoge kwaliteit te herkennen, zijn vaak afhankelijk van dierproeven. Maar alles wat ons AI-model nodig heeft, is een monster dat is gekleurd met specifieke markers om de interessante kenmerken te benadrukken”, vertelt onderzoeker Davide Carnevali.
Met AINU lijkt een nieuwe, nauwkeurige en snelle manier voor de opsporing van ziektes binnen handbereik te liggen. Een ontwikkeling die zowel de wetenschap als de gezondheidszorg naar een hoger niveau kan tillen.
