Większość komórek naszego ciała zawiera chromosomy. Każdy ma zwykle jedno przewężenie w środku, zwane centromerem. Czasami jednak fragmenty chromosomów mogą się połączyć, tworząc strukturę o dwóch centromerach, czyli tzw. chromosom dicentryczny.
Takie zmiany pojawiają się m.in. pod wpływem wysokoenergetycznego promieniowania. Im więcej takich chromosomów widać w badanych komórkach, tym większą dawkę promieniowania najprawdopodobniej otrzymał organizm.
Zawsze na posterunku
Ustalenie liczby chromosomów dicentrycznych odbywa się zwykle ręcznie, pod mikroskopem. Sytuację zmienia program MaksChroms zespołu badaczy z Wydziału Fizyki i Wydziału Medycznego UW – współpracującego z naukowcami z Niemiec i Japonii – pod kierownictwem prof. Beaty Brzozowskiej[1].
– Prawie każda komórka ludzkiego organizmu ma 46 chromosomów, którym powinniśmy się przyjrzeć. Niektóre mogą jednak wypłynąć czy „uciec” z obrazu mikroskopowego. Są też sytuacje, w których dicentryki pojawiają się z przyczyn innych niż wpływ promieniowania. Dlatego uważa się, że adekwatna ocena jednego przypadku wymaga minimum 50 próbek, ale zaleca się, żeby było ich znacznie więcej – mówi Maksymilian Głowacki, główny autor programu. Analiza jednego obrazu mikroskopowego zajmuje co najmniej minutę. W warunkach kryzysu to niewystarczające tempo.
Dozymetria biologiczna, a tym samym MaksChroms, pozwala szybko wyłonić tych, którzy potrzebują hospitalizacji w wyniku napromienienia – stwierdza prof. Beata Brzozowska.
Trening czyni mistrza
Badacze uczyli program, czego ma szukać, dostarczając mu przede wszystkim zdjęć mikroskopowych pokazujących chromosomy komórek poddanych działaniu promieniowania gamma.
Algorytm uczył się na ponad 2 tys. takich zdjęć, pochodzących z sześciu laboratoriów, różniących się jakością obrazów. Komórki krwi pobranej od 10 dawców zostały napromienione z użyciem różnych dawek, maksymalnie do 5 grejów (Gy, jednostka dawki pochłoniętej). Do ich interpretacji zaangażowano naukowców. Ci poszukiwali chromosomów dicentrycznych metodą tradycyjną, dostarczając jednocześnie dane do trenowania algorytmu.
Sieć na chromosomy
MaksChroms bazuje na typie tzw. sieci neuronowych – sieciach konwolucyjnych (Convolutional Neural Network). „Przesuwają” one specjalne filtry po obrazie, ucząc się rozpoznawać wzorce.
To złożony model obliczeniowy z wieloma parametrami, wzorowany na działaniu ludzkiego mózgu. Przy użyciu określonych filtrów przekształca dane w wynik. Pojedynczy „neuron” (jednostka obliczeniowa) przetwarza kilka pikseli obrazu. Miliony takich neuronów umożliwiają uzyskanie złożonych rezultatów. Na MaksChroms składają się trzy takie sieci.
– Pierwsza sieć poszukuje chromosomów dicentrycznych na podstawie obecności centromerów. Przez nagromadzenie określonych danych w pewnej lokalizacji, program ustala, że w tym właśnie miejscu znajduje się centromer – tłumaczy Maksymilian Głowacki.
Druga sieć zamiast szukać centromerów, znajduje plamy przypominające chromosomy. Trzecia pomaga je posegregować. Wreszcie program wybiera tylko te obiekty, które procedury uznały za dicentryki i zlicza je.
Program, który się uczy
Sieci konwolucyjne mają zdolność do samodoskonalenia.
– Takie programy nie są czymś zupełnie nowym. Jednak bardzo ważne jest to, że nasz jest darmowy i otwarty. Wychodzimy do środowiska naukowego z wiadomością, że można z niego korzystać. I jest już kilka laboratoriów, które testują pracę z jego pomocą – precyzuje prof. Beata Brzozowska.
Zespół prof. Brzozowskiej współpracuje z europejską siecią laboratoriów RENEB (Running the European Network of Biological and Retrospective Physical Dosimetry), planując kolejne badania. Oprogramowanie w stylu MaksChroms nie służy wyłącznie do wykrywania chromosomów dicentrycznych, ale również, co ważniejsze, do oszacowania dawki w ciele potencjalnie narażonej osoby. Uczenie maszynowe może być używane także do identyfikacji innych istotnych elementów w badaniach dawki promieniowania (dozymetrii biologicznej), takich jak małe dodatkowe jądra komórkowe (micronuclei) czy specyficzne markery uszkodzeń DNA, np. γ-H2AX, które pomagają ocenić stopień ekspozycji na promieniowanie i potencjalne skutki dla organizmu.
[1] Maksymilian Głowacki, Martin Bucher, David Endesfelder, Maria Szoła, Adrianna Tartas, Yohei Fujishima, Ursula Oestreicher, Maria Kowalska, Paweł Kotowski, Jan Borkowski, Beata Pszczółkowska-Kępa, Józef Ginter, Andrzej Wojcik, Beata Brzozowska. (2025). MaksChroms: An open-source CNN-based tool for dose prediction based on dicentric chromosome assay. Radiation Physics and Chemistry, 113329, https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2025.113329
dr hab. Beata Brzozowska, prof. ucz.
ukończyła fizykę na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie obroniła doktorat z fizyki wysokich energii. Doświadczenie zdobywała m.in. w międzynarodowym eksperymencie ZEUS w ośrodku DESY w Hamburgu. Zajmuje się fizyką medyczną i radiobiologią, badając wpływ promieniowania jonizującego na DNA komórek. W swojej pracy łączy eksperymenty laboratoryjne z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, aby lepiej zrozumieć mechanizmy powstawania i naprawy uszkodzeń DNA oraz ich znaczenie m.in. w badaniach nad nowotworami. Jednym z projektów, które koordynowała, był MaksChroms dotyczący dozymetrii biologicznej.
Artykuł jest częścią cyklu poświęconego badaniom realizowanym na Uniwersytecie Warszawskim.
http://serwisnaukowy.uw.edu.pl
Link do pełnej wersji publikacji: