Predviđanje razvoja tkaniva i organa pomoću deep-learning modela…

01.02.2026.

193

Tijekom rane faze razvoja, tkaniva i organi počinju rasti kroz pomicanje, dijeljenje i rast tisuća ćelija. Tim inženjera s MIT-a sada je razvio način za predviđanje, minut po minut, kako će pojedine ćelije mijenjati oblik, dijeliti se i raspoređivati tijekom najranijeg stadija rasta muškog leptira. Ova nova metoda može se jedan dan primijeniti za predviđanje razvoja složenijih tkaniva, organa i organizama. Također može pomoći znanstvenicima identificirati uzorke ćelija koji odgovaraju ranim oboljenjima kao što su astma i rak.

U studiji objavljenoj danas u časopisu Nature Methods, tim predstavlja novi deep-learning model koji uči, a zatim predviđa, kako će se određene geometrijske osobine pojedinih ćelija mijenjati tijekom razvoja muškog leptira. Model zapisi i prati osobine kao što je položaj ćelije i da li je u određenom trenutku dodiruje susjednu ćeliju.

Tim je primijenio model na video snimke razvijajućih embriona muškog leptira, svaki od kojih počinje kao gomila od oko 5.000 ćelija. Otkrili su da model može predvidjeti, s 90 posto točnosti, kako će se svaka od 5.000 ćelija savijati, pomjerati i raspoređivati, minut po minut, tijekom prvog sata razvoja, dok se embrion mijenja iz glatkog, uniformnog oblika u više definirane strukture i značajke.

“Ova vrlo početna faza poznata je kao gastrulacija, koja traje otprilike jedan sat, kada se pojedine ćelije raspoređuju na vremenskom rasponu od minuta,” kaže autorica studije Ming Guo, docentica mehaničkog inženjerstva na MIT-u. “Točnim modeliranjem ovog ranog razdoblja možemo početi otkrivati kako lokalne ćelijske interakcije dovode do globalnih tkaniva i organizama.”

Istraživači nadamo se da će primijeniti model za predviđanje razvoja ćelija po ćelijama u drugim vrstama, kao što su ribe zebra i miševi. Zatim mogu početi identificirati uzorke koji su zajednički za vrste. Tim također vidi da bi se metoda mogla koristiti za razlikovanje ranih uzoraka bolesti, kao što je astma. Plućno tkivo ljudi s astmom izgleda znatno drugačije od zdravog plućnog tkiva. Nepoznat je proces kojim se razvija tkivo koje je sklon astmi, a timova nova metoda mogla bi to potencijalno otkriti.

“Tkiva astme pokazuju različite ćelijske dinamičke kada se snimaju uživo,” kaže suautorica i diplomantica MIT-a Haiqian Yang. “Zamisljamo da naš model može uhvatiti ove subtlne dinamičke razlike i pružiti više obuhvatnu reprezentaciju ponašanja tkiva, potencijalno poboljšavajući dijagnostičke ili ekraniranje lijekova.”

Suautori studije su Markus Buehler, profesor inženjerstva McAfee u Odjelu za građevinsko i okružno inženjerstvo MIT-a; George Roy i Tomer Stern s Univerziteta u Michiganu; i Anh Nguyen i Dapeng Bi s Sjevernokarolinskog univerziteta.

Točke i pjene… tipično modeliraju kako se embrion razvija na jedan od dva načina: kao oblak točaka, gdje svaka točka predstavlja pojedinu ćeliju kao točku koja se kreće kroz vrijeme; ili kao “pjena”, koja predstavlja pojedine ćelije kao mehuriće koji se pomjeraju i klize jedan protiv drugoga, slično mehurićima u pjenici za brijanje.

Umjesto da odaberu jedan od ta dva pristupa, Guo i Yang su prihvatili oba.

“Postoji rasprava o tome da li se modelira kao oblak točaka ili pjena,” kaže Yang. “Ali oba su zapravo različiti načini modeliranja istog podložnog grafa, što je elegantan način za predstavljanje živih tkaniva. Kombiniranjem tih kao jednog grafa možemo istaknuti više strukturalnih informacija, kao što su kako su ćelije povezane jedna s drugom dok se raspoređuju kroz vrijeme.”

U srcu novog modela nalazi se “dual-graph” struktura koja predstavlja razvijajući embrion kao pomične točke i mehuriće. Kroz ovu dvostruku reprezentaciju, istraživači su se nadali da će uhvatiti više detaljnih geometrijskih svojstava pojedinih ćelija, kao što su položaj nukleusa ćelije, da li je ćelija u dodiru s susjednom ćelijom i da li se savija ili dijeli u određenom trenutku.

Kao dokaz o principu, tim je trenirao novi model da “uči” kako se pojedine ćelije mijenjaju kroz vrijeme tijekom gastrulacije muškog leptira.

“Ukupan oblik muškog leptira na ovom stadiju je otprilike elipsoid, ali postoje ogromne dinamike na površini tijekom gastrulacije,” kaže Guo. “Ide od potpuno glatke do formiranja broja savijanja pod različitim kutovima. I želimo predvidjeti sve te dinamike, moment po moment, i ćeliju po ćeliju.”

Za svoju novu studiju, istraživači su primijenili novi model na video snimke gastrulacije muškog leptira visokog kvaliteta koje su napravili njihovi suradnici s Univerziteta u Michiganu. Video snimke su snimke razvijanja muškog leptira od jednog sata, snimljene s razlučivosti jedne ćelije. Više toga, video snimke sadrže oznake rubova i nukleusa pojedinih ćelija.

Primjena modela na druge vrste

Tim je primijenio model na video snimke gastrulacije muškog leptira visokog kvaliteta koje su napravili njihovi suradnici s Univerziteta u Michiganu. Video snimke su snimke razvijanja muškog leptira od jednog sata, snimljene s razlučivosti jedne ćelije. Više toga, video snimke sadrže oznake rubova i nukleusa pojedinih ćelija.

Istraživači su primijenili model na video snimke gastrulacije muškog leptira visokog kvaliteta koje su napravili njihovi suradnici s Univerziteta u Michiganu. Video snimke su snimke razvijanja muškog leptira od jednog sata, snimljene s razlučivosti jedne ćelije. Više toga, video snimke sadrže oznake rubova i nukleusa pojedinih ćelija.