Usando IA para melhorar o tratamento de Alzheimer através do “eixo intestino-cérebro”

Os pesquisadores da Cleveland Clinic estão usando inteligência artificial para descobrir uma ligação entre o microbioma intestinal e a doença de Alzheimer.

Estudos anteriores mostraram que os pacientes com Alzheimer experimentam alterações nas bactérias intestinais à medida que a doença progride. O recém-publicado relatório de célula Este estudo descreve um método computacional para determinar como os subprodutos bacterianos, chamados metabólitos, interagem com os receptores nas células e contribuem para a doença de Alzheimer.

Feixion Chen, diretor fundador do Cleveland Clinic Genome Center, trabalhou em estreita colaboração com o Centro Luo Lubo para Saúde do Cérebro e o Centro para Microbioma e Saúde Humana (CMHH). O estudo classifica metabólitos e receptores pela probabilidade de interação e pela probabilidade de o par impactar a doença de Alzheimer. Esses dados fornecem um dos roteiros mais abrangentes para o estudo de doenças relacionadas a metabólitos até o momento.

Quando as bactérias decompõem os alimentos que consumimos para obter energia, elas liberam metabólitos em nosso sistema. Os metabólitos interagem e influenciam as células, promovendo processos celulares que podem ser benéficos ou prejudiciais à saúde. Além da doença de Alzheimer, os pesquisadores associaram os metabólitos a doenças cardíacas, infertilidade, câncer, doenças autoimunes e alergias.

Prevenir interações prejudiciais entre metabólitos e nossas células pode ajudar a combater doenças. Os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver medicamentos que ativem ou bloqueiem a ligação de metabólitos aos receptores da superfície celular. O progresso nesta abordagem tem sido lento devido à grande quantidade de informações necessárias para identificar os destinatários-alvo.

“Os metabólitos intestinais são a chave para muitos processos fisiológicos em nossos corpos, e todos têm chaves para a saúde e as doenças humanas”, disse o Dr. Chen, membro da equipe de medicina genômica. “O problema é que existem dezenas de milhares de receptores e milhares de metabólitos no sistema, portanto, determinar manualmente qual chave entra em qual fechadura era demorado e caro.

A equipe do Dr. Chen acredita que os metabólitos intestinais conhecidos no corpo humano com perfis de segurança existentes, se amplamente aplicados, poderiam fornecer prevenção eficaz ou mesmo abordagens de intervenção para a doença de Alzheimer e outras doenças complexas que testei.

Dr. Yunguan Qiu, autor principal do estudo e pós-doutorado no Instituto Chen, liderou uma equipe que incluía o Diretor de Pesquisa do CMMH, Dr. J. Mark Brown. James Leverenz, MD, Diretor do Centro de Saúde Cerebral Luo Lubo da Clínica Cleveland e Diretor do Centro de Pesquisa da Doença de Alzheimer de Cleveland. e a neuropsicóloga Jessica Caldwell, Ph.D., ABPP/CN. Diretora do Centro de Prevenção do Movimento de Alzheimer Feminino da Clínica Cleveland, em Nevada.

Usando um tipo de IA chamado aprendizado de máquina, a equipe de pesquisa analisou mais de 1,09 milhão de pares potenciais de metabólitos e receptores e previu a probabilidade de cada interação contribuir para a doença de Alzheimer.

Análise integrada:

• Dados genéticos e proteômicos de pesquisas humanas e pré-clínicas sobre a doença de Alzheimer
• Diferentes receptores (estruturas proteicas) e formas de metabólitos
• Como diferentes metabólitos afetam as células cerebrais derivadas de pacientes

A equipe de pesquisa investigou os pares de metabólitos e receptores com maior probabilidade de influenciar a doença de Alzheimer nas células cerebrais de pacientes com doença de Alzheimer.

Uma das moléculas em que se concentraram foi um metabólito protetor chamado agmatina, que se pensava proteger as células cerebrais da inflamação e dos danos associados. O estudo descobriu que a agmatina provavelmente interage com um receptor chamado CA3R na doença de Alzheimer.

O tratamento de neurônios afetados pela doença de Alzheimer com agmatina reduziu diretamente os níveis de CA3R, indicando que o metabólito e o receptor interagem. Os neurônios tratados com agmatina também apresentaram níveis reduzidos de proteína tau fosforilada, um marcador da doença de Alzheimer.

O Dr. Chen diz que estas experiências demonstram como os algoritmos de IA da sua equipa podem abrir novos caminhos de investigação para muitas outras doenças para além da doença de Alzheimer.

“Embora nos concentremos especificamente na doença de Alzheimer, as interações metabólito-receptor estão envolvidas em quase todas as doenças que envolvem o microbioma intestinal”, disse ele. “Esperamos que nosso método possa fornecer uma estrutura para o avanço de todo o campo das doenças relacionadas aos metabólitos e da saúde humana.”

Atualmente, o Dr. Chen e sua equipe estão estudando as interações entre fatores genéticos e ambientais (incluindo alimentos e metabólitos intestinais) na saúde e nas doenças humanas, incluindo a doença de Alzheimer e outras doenças complexas. meta.