Mô hình AI vạch trần những tác hại chưa được biết đến của béo phì

Một mô hình trí tuệ nhân tạo đột phá, mang tên MouseMapper đã lần đầu tiên phác họa nên bức tranh toàn diện về những tổn thương âm thầm mà căn bệnh béo phì gây ra trên khắp cơ thể, từ hệ thần kinh cho đến hệ miễn dịch. 

Công trình nghiên cứu trên được thực hiện bởi các chuyên gia tại Viện Sinh học Thông minh (iBIO) thuộc Trung tâm Helmholtz Munich (Đức), dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Ali Ertürk. Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một bộ công cụ tiên tiến dựa trên mô hình nền tảng học sâu (deep learning), mang lại khả năng tự động phân tích dữ liệu hình ảnh toàn bộ cơ thể ở độ phân giải cấp tế bào. 

Nhờ bước tiến công nghệ này, hệ thống có thể bóc tách, phân đoạn 31 cơ quan cùng các mô khác nhau, đồng thời thiết lập bản đồ định lượng cho toàn bộ mạng lưới thần kinh và các cụm tế bào miễn dịch mà không cần phải chọn lọc trước vùng cần quan tâm.

Để hiện thực hóa quy trình phân tích tinh vi trên, các nhà nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật làm trong suốt cơ thể các cá thể chuột được đem thí nghiệm sau khi tiến hành đánh dấu huỳnh quang các tế bào miễn dịch và hệ thần kinh. 

Kế tiếp, hệ thống kính hiển vi tấm ánh sáng (light-sheet microscopy) sẽ quét toàn bộ cơ thể vật thí nghiệm, tạo ra hàng chục triệu cấu trúc tế bào trong không gian 3 chiều. Với khối lượng dữ liệu khổng lồ đó, MouseMapper sẽ tự động xử lý và phân tích một cách chính xác để chỉ ra vị trí viêm nhiễm cũng như những tổn thương cấu trúc ở nhiều loại mô, bao gồm mô mỡ, cơ, gan và các dây thần kinh ngoại vi. 

Khi áp dụng mô hình này trên những con chuột bị béo phì do chế độ ăn giàu chất béo, các nhà khoa học đã ghi nhận hàng loạt thay đổi tiêu cực vô cùng đáng kể. Đáng chú ý nhất là tình trạng tổn thương cấu trúc xảy ra ở một phần của dây thần kinh sinh ba - dây thần kinh sọ lớn chịu trách nhiệm về cả cảm giác lẫn vận động cho vùng mặt. 

Ở những cá thể chuột béo phì, số lượng nhánh thần kinh và các đầu tận cùng của sợi thần kinh này bị sụt giảm nghiêm trọng, dẫn đến việc phản ứng cảm giác của chúng kém nhạy bén hơn hẳn so với chuột bình thường. 

Khi tiến hành phân tích proteomics không gian tại hạch thần kinh sinh ba, nhóm nghiên cứu còn phát hiện ra các biến đổi ở cấp độ phân tử liên quan mật thiết đến tình trạng viêm và quá trình tái cấu trúc thần kinh. 

Điều đặc biệt quan trọng là những dấu ấn phân tử tương tự cũng xuất hiện trong mô thần kinh sinh ba của những người mắc bệnh béo phì, là chứng minh cho thấy cơ chế bệnh sinh này có sự bảo tồn và tương đồng rất lớn giữa chuột và người. 

Tiến sĩ Doris Kaltenecker, đồng tác giả chính của công trình, nhấn mạnh đây là một phát hiện mang tính bước ngoặt mà chúng ta không thể nào có được nếu chỉ tiến hành nghiên cứu cô lập từng cơ quan riêng lẻ.

Bên cạnh những tổn thương hệ thần kinh, MouseMapper còn giúp làm sáng tỏ bức tranh toàn cảnh của tình trạng viêm hệ thống do béo phì gây ra. Thông qua việc sử dụng giống chuột chuyển gen Cd68-eGFP để đánh dấu các đại thực bào, nhóm nghiên cứu đã phân loại thành công các cụm tế bào miễn dịch dựa trên kích thước từ nhỏ, trung bình cho đến lớn. 

Kết quả phân tích chỉ ra rằng ở chuột béo phì, số lượng các cụm tế bào kích thước nhỏ bị suy giảm mạnh tại gan, dạ dày và mô mỡ nội tạng. Ngược lại, các cụm tế bào có kích thước trung bình và lớn lại gia tăng một cách đáng báo động tại các vùng mỡ dưới da, mỡ nội tạng, cơ xương và thành bụng. 

Những cụm tế bào miễn dịch kích thước lớn này thường có xu hướng tập trung dày đặc xung quanh các mạch máu, hình thành nên các "trung tâm miễn dịch" phức tạp chứa nhiều loại tế bào phòng ngự khác nhau như tế bào T, tế bào NK và tế bào trình diện kháng nguyên. 

Quá trình phân tích đa dấu ấn huỳnh quang cũng hé lộ sự sắp xếp không gian tinh vi giữa các tế bào này, giúp giới khoa học hiểu rõ hơn cách thức mà tình trạng viêm mãn tính lan tỏa khắp cơ thể và gây rối loạn chuyển hóa.

Những phát hiện mang tính thời đại này không chỉ tái khẳng định béo phì thực chất là một căn bệnh hệ thống, mà còn chỉ ra một cách chính xác các "điểm nóng" tiềm năng để con người can thiệp bằng các liệu pháp điều trị hiệu quả. 

Trong tương lai gần, các tác giả kỳ vọng MouseMapper sẽ trở thành nền tảng cốt lõi để xây dựng nên những "bản sao kỹ thuật số" của chuột. Công nghệ này sẽ cho phép thử nghiệm các loại thuốc mới hoàn toàn trong môi trường ảo, từ đó giảm thiểu tối đa số lượng thí nghiệm trên động vật thực tế, đồng thời đẩy nhanh tiến độ tìm kiếm các liệu pháp điều trị cho nhiều căn bệnh nan y và phức tạp như tiểu đường, ung thư, thoái hóa thần kinh hay rối loạn tự miễn

Bằng khả năng tổng hợp và xử lý thông tin từ hàng triệu tế bào trên toàn bộ cơ thể, MouseMapper là một bước tiến vượt bậc của AI trong lĩnh vực y sinh, giúp con người có một cái nhìn toàn diện hơn về bệnh tật thay vì chỉ quan sát qua những mảnh ghép rời rạc như trước. 

Anh Vũ