L’apprendimento automatico discrimina P2X7

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12673 (2023) Citare questo articolo

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L'adenosina trifosfato (ATP) è una molecola di segnalazione extracellulare che influenza principalmente la situazione fisiopatologica dell'organismo e può essere rilevata dai recettori purinergici, incluso il P2X7 ionotropico. Le cellule staminali neuronali (NSC) rimangono nei tessuti neuronali adulti e possono contribuire ai processi fisiologici attraverso l'attivazione da situazioni fisiopatologiche evocate. In questo studio, abbiamo rivelato che le NSC derivate da cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (iNSC) hanno capacità di rilevamento dell'ATP principalmente attraverso il recettore purinergico e ionotropico P2X7. Successivamente, per sviluppare un sistema di screening basato sull'apprendimento automatico (ML) per le sostanze efficaci neuronali derivate dagli alimenti e le loro dosi efficaci, abbiamo raccolto le risposte del calcio innescate dall'ATP delle iNSC pretrattate con diverse sostanze e dosi. Infine, abbiamo scoperto che il ML è stato eseguito utilizzando immagini composite, ciascuna contenente nove immagini di forme d'onda, per ottenere un modello ML (MLM) migliore con maggiore precisione. Il nostro MLM è in grado di classificare correttamente i sottili cambiamenti non identificati nelle forme d'onda prodotte dalle iNSC pretrattate con ciascuna sostanza e/o dose nel gruppo positivo, con cambiamenti comuni nell'espressione dell'mRNA appartenenti alle firme dell'ontologia genetica.

Il cervello è noto per essere l’organo più complesso e flessibile del corpo. Lo sviluppo della rete neurale all'interno del cervello fetale tende ad essere influenzato dalle sostanze chimiche che attraversano la barriera placentare1,2. Dopo la nascita, il cervello umano continua a crescere e a sviluppare reti neurali funzionali che ricevono stimoli esterni come informazioni significative. Tuttavia, l'esposizione postnatale a sostanze neurotossiche come il policlorobifenile può avere effetti negativi sullo sviluppo mentale e motorio3. Anche nel cervello adulto è necessario mantenere le reti neurali essenziali consolidate e sviluppare nuove reti fino alla morte4. Studi recenti hanno rivelato che il cervello umano adulto contiene cellule staminali neurali (NSC) per la neurogenesi de novo per la rigenerazione e/o per la creazione di nuove reti5. Per mantenere un equilibrio tra omeostasi e cambiamenti nelle reti neuronali, è necessario studiare le dosi neuronali efficaci delle sostanze introdotte nell'organismo.

Cibo e bevande sono le fonti più comuni di nutrienti e sostanze neuronali, comprese le neurotossine6. Nei moderni paesi industrializzati stanno entrando nel mercato diversi nuovi alimenti e integratori con scarse esperienze di assunzione. Ad esempio, gli integratori dimagranti contenenti sibutramina possono causare gravi problemi di salute7. Oltre alle neurotossine pure, è importante conoscere le dosi efficaci degli alimenti quotidiani contenenti sostanze che colpiscono i neuroni come caffeina, alcol e teanina.

Gli effetti neuronali sono stati testati principalmente sugli animali. Tuttavia, per affrontare le preoccupazioni relative al benessere degli animali, è necessario sviluppare metodi alternativi per prevedere la neurotossicità. Le cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (hiPSC) sono una risorsa ideale per i sistemi di screening tossicologico perché possono fornire vari tipi di cellule neuronali con meno problemi etici. Molti rapporti hanno dimostrato che i neuroni derivati ​​​​da hiPSC sono utili per valutare e caratterizzare la neurotossicità di sostanze specifiche legate alla morte cellulare o alla sinaptogenesi8,9. Tuttavia, ad oggi, nessun sistema di screening è in grado di separare, in modo dose-dipendente, le sostanze generiche contenenti alimenti in gruppi con o senza effetti neuronali.

L'adenosina trifosfato (ATP) è il principale messaggero purinergico che funge da indicatore di danno cerebrale10. La concentrazione di ATP riflette la gravità del danno, poiché le cellule danneggiate rilasciano ATP in modo incontrollabile. L'ATP extracellulare può portare a un ciclo di “danno indotto dal danno” attraverso l'induzione della morte diretta delle cellule neuronali e delle risposte infiammatorie microgliali11. L'ATP è percepito dai recettori purinergici, di cui P2X7 è ampiamente espresso nelle cellule eccitabili, comprese le cellule progenitrici neuronali derivate da cellule staminali pluripotenti umane, gli astrociti, le cellule simili alla microglia e i neuroni12. Tuttavia, la funzionalità di P2X7 nelle iNSC umane rimane poco chiara.