Un'applicazione dell'intelligenza artificiale ai set di dati di imaging medico ha rivelato per la prima volta la genetica della forma scheletrica
Utilizzando l'intelligenza artificiale per analizzare decine di migliaia di immagini a raggi X e sequenze genetiche, i ricercatori dell'University of Texas ad Austin e del New York Genome Center sono stati in grado di individuare i geni che modellano i nostri scheletri, dalla larghezza delle nostre spalle alla lunghezza delle nostre gambe.
La ricerca, pubblicata come articolo di copertina su Science (1), tira indietro un sipario sul nostro passato evolutivo e apre una finestra su un futuro in cui i medici possono prevedere meglio i rischi dei pazienti di sviluppare condizioni come mal di schiena o artrite in età avanzata.
«La nostra ricerca è una potente dimostrazione dell'impatto dell'intelligenza artificiale in medicina, in particolare quando si tratta di analizzare e quantificare i dati di imaging, nonché di integrare queste informazioni con le cartelle cliniche e la genetica rapidamente e su larga scala», ha affermato il dottor Vagheesh M Narasimhan (2), assistente professore di biologia integrativa, statistica e scienza dei dati, che ha guidato il team multidisciplinare di ricercatori, per fornire la mappa genetica delle proporzioni scheletriche.
Gli esseri umani sono gli unici grandi primati ad avere gambe più lunghe delle braccia, un cambiamento nella forma scheletrica che è fondamentale per consentire la capacità di camminare su due gambe. Gli scienziati hanno cercato di determinare quali cambiamenti genetici sono alla base delle differenze anatomiche che sono chiaramente visibili nei reperti fossili che portano agli esseri umani moderni, dall'Australopithecus ai Neanderthal. Volevano anche scoprire come queste proporzioni scheletriche che consentono il bipedismo influenzano il rischio di molte malattie muscoloscheletriche come l'artrite del ginocchio e dell'anca, condizioni che colpiscono miliardi di persone nel mondo e sono le principali cause di disabilità degli adulti negli Stati Uniti.
I ricercatori hanno utilizzato modelli di deep learning per eseguire la quantificazione automatica su 39.000 immagini mediche per misurare le distanze tra spalle, ginocchia, caviglie e altri punti del corpo. Confrontando queste misurazioni con la sequenza genetica di ogni persona, hanno trovato 145 punti nel genoma che controllano le proporzioni scheletriche.
«Il nostro lavoro fornisce una road map che collega geni specifici con lunghezze scheletriche di diverse parti del corpo, consentendo ai biologi dello sviluppo di indagare su questi in modo sistematico», ha affermato il dottor Tarjinder (TJ) Singh (3), coautore dello studio e membro associato presso il NYGC e assistente professore presso la Columbia University Department of Psychiatry.
Il team ha anche esaminato in che modo le proporzioni scheletriche si associano alle principali malattie muscoloscheletriche e ha dimostrato che gli individui con un rapporto più elevato tra larghezza e altezza dell'anca hanno maggiori probabilità di sviluppare artrosi e dolore alle anche. Allo stesso modo, le persone con rapporti più alti tra lunghezza e altezza del femore (osso della coscia) avevano maggiori probabilità di sviluppare artrite alle ginocchia, dolore al ginocchio e altri problemi al ginocchio. Le persone con un rapporto più alto tra lunghezza e altezza del busto avevano maggiori probabilità di sviluppare mal di schiena.
«Questi disturbi si sviluppano da stress biomeccanici sulle articolazioni nel corso della vita», ha affermato Eucharist Kun, uno studente laureato in biochimica dell'UT Austin e autore principale dell'articolo. «Le proporzioni scheletriche influenzano tutto, dalla nostra andatura a come ci sediamo, e ha senso che siano fattori di rischio in questi disturbi».
I risultati del loro lavoro hanno implicazioni anche per la nostra comprensione dell'evoluzione. I ricercatori hanno notato che diversi segmenti genetici che controllavano le proporzioni scheletriche si sovrapponevano più del previsto con aree del genoma chiamate regioni umane accelerate. Queste sono sezioni del genoma condivise da grandi scimmie e molti vertebrati, ma sono significativamente divergenti negli esseri umani. Ciò fornisce una motivazione genomica per la divergenza nella nostra anatomia scheletrica.
Una delle immagini più durature del Rinascimento - “L'uomo vitruviano” di Leonardo Da Vinci - conteneva concezioni simili dei rapporti e delle lunghezze degli arti e di altri elementi che compongono il corpo umano.
«In un certo senso stiamo affrontando la stessa domanda con cui ha lottato Da Vinci», ha detto Narasimhan. «Qual'è la forma umana di base e la sua proporzione? Ma ora stiamo usando metodi moderni e ci chiediamo anche come queste proporzioni siano determinate geneticamente».
Oltre a Kun e Narasimhan, i coautori sono Tarjinder Singh del New York Genome Center e della Columbia University; Emily M. Javan, Olivia Smith, Javier de la Fuente, Brianna I. Flynn, Kushal Vajrala, Zoe Trutner, Prakash Jayakumar e Elliot M. Tucker-Drob di UT Austin; Faris Gulamali della Icahn School of Medicine del Monte Sinai; e Mashaal Sohail dell'Universidad Nacional Autonoma de Mexico. La ricerca è stata finanziata dall'Allen Institute, Good Systems, Ethical AI research grand challenge presso UT Austin e National Institutes of Health, con il supporto di una borsa di studio per studenti laureati fornita dalla National Science Foundation e dall'ufficio del rettore di UT Austin.
Riferimenti:
(1) The genetic architecture and evolution of the human skeletal form
Descrizione foto: Un nuovo studio ha individuato i geni che modellano i nostri scheletri. - Credit: The University of Texas at Austin.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Genes That Shape Bones Identified, Offering Clues About Our Past and Future