Para peneliti dari Helmholtz Munich, Ludwig Maximilians University Munich (LMU) dan beberapa lembaga mitra telah menciptakan sistem kecerdasan buatan (AI) yang mampu memetakan perubahan terkait penyakit di seluruh tubuh tikus pada tingkat sel. Dengan menggunakan platform baru, yang dikenal sebagai MouseMapper, tim menemukan peradangan yang meluas dan kerusakan saraf yang sebelumnya tidak diketahui terkait dengan obesitas.
Studi ini juga mengidentifikasi pola molekuler serupa pada jaringan manusia, menunjukkan bahwa aspek penting dari kerusakan saraf terkait obesitas dapat terjadi pada tikus dan manusia. Hasilnya dipublikasikan di jurnal Alam.
Obesitas diketahui mempengaruhi lebih dari sekedar berat badan dan metabolisme. Hal ini dapat mengganggu aktivitas kekebalan tubuh, mengganggu struktur saraf, dan merombak jaringan di seluruh tubuh, sehingga meningkatkan risiko penyakit seperti diabetes tipe 2, penyakit kardiovaskular, stroke, neuropati, dan kanker. Meskipun dampaknya meluas, para ilmuwan kekurangan alat yang mampu mempelajari perubahan terkait penyakit di seluruh tubuh secara utuh dengan sangat rinci.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Ali Ertürk, direktur Institute for Biological Intelligence (iBIO) di Helmholtz Munich dan profesor di LMU, mengembangkan MouseMapper. Kerangka AI menggunakan algoritma pembelajaran mendalam berdasarkan model inti untuk menganalisis kumpulan data pencitraan seluruh tubuh yang besar.
Sistem ini dapat secara otomatis mengidentifikasi dan mensegmentasi 31 organ dan jenis jaringan sekaligus memetakan saraf dan sel kekebalan di seluruh tubuh. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk memeriksa bagaimana penyakit mempengaruhi beberapa sistem organ secara bersamaan pada tikus utuh.
“MouseMapper dibuat berdasarkan model dasar, yang berarti ia dapat melakukan generalisasi jauh melampaui data yang awalnya dilatih,” kata Ying Chen, salah satu penulis pertama studi ini.
Tikus transparan dan pencitraan seluruh tubuh
Untuk membuat peta tubuh, para peneliti pertama-tama memberi label pada saraf tikus dan sel kekebalan menggunakan penanda fluoresen yang bersinar di bawah mikroskop. Mereka kemudian menggunakan metode pembersihan jaringan untuk membuat tikus transparan sambil mempertahankan sinyal fluoresen, sehingga para ilmuwan dapat melihat jauh ke dalam tubuh tanpa memotong jaringannya.
Selanjutnya, tim menggunakan mikroskop lembaran cahaya canggih untuk menangkap gambar tiga dimensi secara rinci dari seluruh tikus. Proses ini menghasilkan kumpulan data yang sangat besar yang berisi puluhan juta struktur seluler dari organ dan jaringan dalam tubuh.
MouseMapper kemudian menganalisis gambar tersebut secara otomatis, mengidentifikasi wilayah anatomi, jaringan saraf, dan kelompok sel kekebalan pada hewan.
Pendekatan ini memungkinkan peneliti untuk menentukan secara pasti di mana peradangan dan kerusakan jaringan terjadi pada organ seperti jaringan lemak, otot, hati, dan saraf tepi. Berbeda dengan metode sebelumnya, para ilmuwan tidak perlu memilih wilayah tertentu untuk dipelajari terlebih dahulu.
Obesitas terkait dengan kerusakan saraf wajah
Untuk mengeksplorasi bagaimana obesitas mengubah tubuh, para peneliti memberi tikus makanan tinggi lemak yang menyebabkan obesitas dan masalah metabolisme serupa dengan yang terjadi pada manusia.
Dengan menggunakan MouseMapper, tim menemukan perubahan luas dalam organisasi sel kekebalan dan struktur saraf tubuh. Salah satu temuan paling mengejutkan berkaitan dengan saraf trigeminal, saraf wajah utama yang bertanggung jawab atas sensasi wajah dan beberapa fungsi motorik.
Pada tikus yang mengalami obesitas, saraf sensorik ini menunjukkan penurunan yang signifikan pada cabang dan ujung saraf, yang menunjukkan adanya gangguan fungsi saraf. Tes perilaku mendukung kesimpulan ini, menunjukkan bahwa tikus yang mengalami obesitas kurang sensitif terhadap rangsangan sensorik dibandingkan tikus yang kurus.
Para peneliti selanjutnya fokus pada ganglion trigeminal, yang berisi badan sel neuron sensorik wajah. Dengan menggunakan analisis proteomik spasial, mereka mengidentifikasi perubahan molekuler yang terkait dengan peradangan dan remodeling saraf.
Yang penting, banyak tanda molekuler yang sama juga ditemukan pada jaringan trigeminal orang yang mengalami obesitas. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan terkait saraf yang terlihat pada tikus juga bisa terjadi pada manusia.
“Kami mengungkapkan perubahan struktural dan molekuler yang sebelumnya tidak diketahui pada ganglion trigeminal dan cabang-cabang wajahnya, dan tanda molekuler yang sama dipertahankan dalam jaringan manusia. Jenis penemuan ini tidak dapat muncul dari studi satu organ pada satu waktu,” jelas Dr. Doris Kaltenecker, ilmuwan senior di Diabetes and Cancer Institute (IDC) di Helmholtz Munich dan penulis pertama studi tersebut.
Alat baru untuk mempelajari penyakit kompleks
Para peneliti percaya MouseMapper bisa menjadi alat penting untuk mempelajari penyakit yang mempengaruhi banyak sistem organ secara bersamaan, termasuk diabetes, kanker, penyakit neurodegeneratif, dan penyakit autoimun.
Tidak seperti pendekatan sebelumnya yang berfokus pada jaringan atau organ individu, MouseMapper menyediakan sistem analisis seluruh tubuh terintegrasi yang dapat mengidentifikasi titik-titik penyakit di seluruh organisme.
Tim juga membuat kumpulan data seluruh tubuh tersedia untuk umum secara online sehingga para peneliti di seluruh dunia dapat mengeksplorasi perubahan terkait obesitas pada organ dan jaringan.
“Tujuan kami adalah menciptakan kerangka komprehensif untuk memahami bagaimana penyakit mempengaruhi tubuh sebagai sistem yang saling berhubungan,” jelas Ali Ertürk. “Visi jangka panjang kami adalah untuk menciptakan kembaran digital yang benar-benar realistis dari tikus yang sehat dan sakit: atlas tingkat sel yang dapat kami interogasi, mengganggu, dan memfilter secara silico dengan komputer. Hal ini akan memungkinkan kami mengidentifikasi perubahan awal yang disebabkan oleh penyakit, merancang intervensi untuk mencegahnya, dan mempercepat penemuan pengobatan baru sekaligus mengurangi jumlah eksperimen fisik yang perlu kami lakukan.”
Pekerjaan ini didukung oleh Dewan Penelitian Eropa (Konsolidator Hibah CALVARIA kepada A. Ertürk; hibah 949017 kepada M. Rohm), Yayasan Penelitian Jerman (DFG) sebagai bagian dari Strategi Keunggulan Jerman dalam Klaster Munich untuk Neurologi Sistem (SyNergy, ID 390857198, EXC 2145), DFG SFB 1052 (A9) dan TR 296 (P03), Pusat Penelitian Kolaboratif CRC 1744, Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (kolaborasi NATON, 01KX2121 dan HIVacToGC), Yayasan Penelitian Demensia Vaskular, hibah proyek Nomis Heart Atlas (Nomis Foundation), Else-Kröner-Fresenius-Stiftung, Edith-Haberland-Wagner Stiftung, Helmut Horten Foundation, EFSD dan Novo Nordisk Program A/S untuk Penelitian Diabetes di Eropa (kepada D. Kaltenecker) dan Dewan Beasiswa China (kepada Y. Chen).
