Szybka diagnoza skutków promieniowania. Jak działa program MaksChroms?

Przebieg pracy modeli. Model A proponuje maski dla chromosomów i przeprowadza wstępną klasyfikację na monocentryczne (niebieskie), dicentryczne (żółte) i acentryczne (czerwone). Model B wykrywa centromery (fioletowe kropki). Po dopasowaniu kandydujących centromerów do masek otrzymujemy potwierdzone dicentryczne (zielone), potwierdzone monocentryczne (niebieskie), acentryczne (czerwone) lub błędne predykcje (niewidoczne).

Co zrobić, gdy dojdzie do katastrofy nuklearnej lub ktoś zostanie narażony na szkodliwe promieniowanie – na przykład w wyniku awarii uszkodzonej elektrowni jądrowej, jak w Ukrainie? Lekarze muszą wtedy szybko ustalić, jak dużą dawkę promieniowania otrzymał organizm, bo od tego zależy zarówno sposób leczenia, jak i szanse na powrót do zdrowia. Zespół naukowców z Wydziału Fizyki UW i Wydziału Medycznego UW, który współpracował z naukowcami z Niemiec i Japonii, opracował innowacyjne oprogramowanie, które pozwala ocenić sytuację znacznie szybciej niż dotychczas.

Większość komórek naszego ciała zawiera chromosomy, czyli DNA w skondensowanej formie. W normalnej sytuacji chromosom ma jedno przewężenie w środku, zwane centromerem (to miejsce przypominające wcięcie, przy którym łączą się dwie części chromosomu). Czasami jednak fragmenty różnych chromosomów mogą połączyć się ze sobą, tworząc strukturę o dwóch centromerach, czyli tzw. chromosom dicentryczny, inaczej „dicentryk”.

Takie zmiany pojawiają się m.in. pod wpływem promieniowania jonizującego – czyli wysokoenergetycznego promieniowania, które może uszkadzać DNA w komórkach. Im więcej takich chromosomów widać w badanych komórkach, tym większą dawkę promieniowania najprawdopodobniej otrzymał organizm.

Choć obecność dicentryków to miarodajny wskaźnik napromienienia, do tej pory ustalenie jego poziomu było bardzo żmudnym procesem. Wykonywane w tym celu badanie nazywa się dozymetrią (gr. dosis, dawka + metron, miara) biologiczną, gdyż miernikiem dawki nie jest jakieś urządzenie, ale żywe komórki człowieka. Tradycyjnie odbywa się ono ręcznie – laborant musi sam interpretować to, co widzi pod mikroskopem.

Już wkrótce wykrywanie napromienienia może stać się znacznie szybsze i łatwiejsze. To efekt pracy międzywydziałowego zespołu badaczy z Wydziału Fizyki i Wydziału Medycznego z Uniwersytetu Warszawskiego – który współpracował z naukowcami z Niemiec i Japonii. Pracami kierowała dr hab. Beata Brzozowska, prof. ucz. z Zakładu Fizyki Biomedycznej w Instytucie Fizyki Doświadczalnej. Naukowcy stworzyli MaksChroms – otwarte i bezpłatne oprogramowanie diagnostyczne oparte na tzw. konwolucyjnych sieciach neuronowych.

Zawsze na posterunku

Podstawowym problemem było dotychczas to, że analiza obrazów komórek wykonywana przez człowieka jest czasochłonna i wymaga dużego skupienia. Aby oszacować dawkę promieniowania, nie wystarczy przyjrzeć się jednej komórce – trzeba przeanalizować ich kilkadziesiąt, a nawet kilkaset, co w praktyce może zająć nawet około godziny.

– Prawie każda komórka ludzkiego organizmu ma 46 chromosomów, którym powinniśmy się przyjrzeć. Niektóre mogą jednak wypłynąć czy „uciec” z obrazu mikroskopowego. Są też możliwe 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, od którego imienia MaksChroms wziął zresztą swoją nazwę.

Ponieważ analiza pojedynczego obrazu mikroskopowego zajmuje co najmniej minutę, w warunkach skażenia jądrowego, czy tak ponurego scenariusza jak atak jądrowy, to po prostu niewystarczające tempo, gdy poszkodowane są tysiące osób.– Trzeba też pamiętać, że w sytuacji katastrofy radiacyjnej ludzie mogą reagować przerażeniem wywołującym bardzo złe samopoczucie fizyczne. Potrafią pojawić się cielesne objawy, takie jak zawroty głowy czy wymioty. Dozymetria biologiczna, a tym samym MaksChroms, pozwala szybko odróżnić tych, którzy potrzebują hospitalizacji w wyniku napromienienia, od tych, którzy wymagają wsparcia innego rodzaju, np. psychologicznego – dodaje prof. Beata Brzozowska.

Co ważne, podobnemu stresowi podlegają także uczestnicy akcji ratunkowej, którzy w trudnych okolicznościach diagnozują napromieniowanie. Muszą zmagać się nie tylko ze zmęczeniem i presją psychiczną, ale też z potencjalnym narażeniem na promieniowanie, nawet przy stosowaniu kombinezonów ochronnych i innych środków bezpieczeństwa.MaksChroms znacznie odciąża człowieka: nie ulega emocjom i nie potrzebuje przerw na regenerację. Nie umniejsza to oczywiście znaczenia roli laborantów, ale dzięki automatyzacji proces przebiega znacznie sprawniej.

Trening czyni mistrza

Tworząc program MaksChroms, autorzy musieli najpierw nauczyć go, czego ma szukać. W tym celu dostarczyli mu odpowiednie dane. Były to zdjęcia mikroskopowe pokazujące chromosomy komórek poddanych działaniu promieniowania gamma – najbardziej przenikliwej i niszczącej formy promieniowania, emitowanej m.in. podczas wybuchu bomby jądrowej. Dodatkowo wykorzystano próbki kontrolne, czyli komórki niepoddane napromienieniu.

Algorytm uczył się na ponad 2 tysiącach takich fotografii. Komórki krwi pobranej od 10 dawców (limfocyty – białe krwinki) zostały napromienione z użyciem różnych dawek, maksymalnie do 5 grejów (Gy, jednostka dawki pochłoniętej). Do ich interpretacji zaangażowano naukowców ze współpracujących z zespołem laboratoriów, którzy poszukiwali chromosomów dicentrycznych metodą tradycyjną na zdjęciach mikroskopowych. Trening algorytmu miał na celu wyuczyć sztuczną sieć neuronową, aby naśladowała ekspertów.

Co więcej, zdjęcia pochodziły z sześciu laboratoriów, różniących się jakością obrazów. Dzięki temu program musiał poradzić sobie ze zmiennością danych, podobnie jak człowiek radzi sobie z niedoskonałościami obrazu mikroskopowego. Chodziło o to, aby model nie otrzymywał wyłącznie idealnie dobranych danych, lecz naturalne warianty typowe w codziennej pracy diagnostycznej.

– Każde laboratorium, na podstawie interpretowanych przez jego pracowników próbek, tworzy własną tzw. krzywą kalibracji, czyli wykres pozwalający ocenić dawkę promieniowania. Krzywe różnią się między ośrodkami, ale ostateczne wyniki oceny są podobne. Natomiast to, że dane, na których uczył się program, pochodzą z różnych miejsc i są różnej jakości, prowadzi ostatecznie do większej obiektywizacji oceny, ponieważ taka krzywa nie ma już tak lokalnego charakteru – mówi dr Józef Ginter z Wydziału Medycznego UW. Józef Ginter uzyskał doktorat z fizyki w dziedzinie neuroinformatyki; obecnie łączy pracę na Wydziale Medycznym UW oraz na Wydziale Fizyki UW, zajmując się m.in. analizą obrazów medycznych.

Aby porównać skuteczność oprogramowania z działaniem człowieka, równolegle przeprowadzono także test „ręcznej” interpretacji próbki 50 tych samych zdjęć przez 4 ekspertów.

Badanie ujawniło, że w konkretnych przypadkach oceny dokonywane przez ludzi mogą różnić się między sobą. Zastosowanie programu pozwala natomiast traktować wszystkie próbki według jednej miary, ujednolicając kryteria oceny.

Sieć na chromosomy

MaksChroms to program bazujący na tzw. sieciach neuronowych, a konkretnie na ich rodzaju zwanym sieciami konwolucyjnymi (CNN, Convolutional Neural Network). Są one przystosowane do pracy z danymi przestrzennymi, takimi jak obrazy, nagrania wideo czy mapy. Działają w ten sposób, że „przesuwają” specjalne filtry po obrazie, ucząc się rozpoznawać wzorce i cechy charakterystyczne. Sieci konwolucyjne stosuje się m.in. do biometrycznej identyfikacji twarzy czy analizy zdjęć satelitarnych.

W praktyce taka sieć to złożony model obliczeniowy, wzorowany na działaniu ludzkiego mózgu. Jest to model matematyczny z wieloma parametrami, który przy użyciu określonych filtrów przekształca dane w wynik. Pojedynczy „neuron” (jednostka obliczeniowa) przetwarza kilka pikseli obrazu, ale miliony takich neuronów działając jednocześnie, umożliwiają uzyskanie złożonych rezultatów.

Jak już wspomnieliśmy, sieci konwolucyjne są zaprogramowane tak, aby uczyły się wychwytywać wzorce. Oznacza to, że bazując na wielkiej ilości danych, kształtują sobie pojęcie tego, czego mają poszukiwać. Na przykład, aby taka sieć nauczyła się rozpoznawać psy, należy pokazać jej tysiące zdjęć psów i nie-psów. Sieć neuronowa nie reprezentuje pojęcia psa w sensie biologicznym – przetwarza jednak informacje i potrafi zidentyfikować statystyczne podobieństwa.

Na MaksChroms składają się trzy takie sieci mające różne zadania, a proces selekcji komórek z chromosomami dicentrycznymi odbywa się kilkuetapowo. Program korzysta z dwóch modeli. W pierwszym modelu działa jedna sieć, a w drugim pozostałe dwie. Następnie zestawiane są ze sobą wyniki ich niezależnego działania.

– Pierwsza sieć poszukuje chromosomów dicentrycznych na podstawie obecności centromerów, które na zdjęciach komórek wyglądają jak środek litery X napisanej ciemnym atramentem na jasnym tle. Sieć nie „widzi” koloru, ale jako informacja jest on sprowadzalny do kodu RGB, wyrażonego w liczbach. W ten sposób, przez nagromadzenie określonych danych w pewnej lokalizacji, program ustala, że w tym właśnie miejscu znajduje się centromer – tłumaczy Maksymilian Głowacki.Druga sieć działa podobnie jak pierwsza, ale zamiast szukać centromerów, znajduje na obrazie plamy przypominające chromosomy. Trzecia sieć na podstawie kształtu pomaga je posegregować – rozdziela chromosomy na monocentryczne, dicentryczne, acentryczne i inne. Na końcu program wybiera tylko te obiekty, które obie procedury uznały za dicentryki i zlicza je. Dzięki temu odrzuca wątpliwe i niejednoznaczne przypadki, które mogłyby wprowadzić błąd.

Choć MaksChroms nie wykrywa wszystkich dicentryków w komórkach, jego wskazania odnośnie do dawki promieniowania otrzymanej przez osobę potencjalnie narażoną są prawidłowe dzięki temu, że bazuje na wiarygodnej krzywej kalibracji. Co ważne, przewidziano też miejsce dla człowieka – program zaznacza wyniki budzące wątpliwości i pozostawia ostateczną decyzję naukowcom.

Program, który uczy się z każdym nowym badaniem

Interesującą cechą sieci konwolucyjnych jest ich zdolność do samodoskonalenia. Wraz z przyrostem danych poprawiają swoje algorytmy, a tym samym zwiększają dokładność działania. Zawdzięczają to mechanizmowi zwanemu wsteczną propagacją błędu (backpropagation). Sieć sprawdza wtedy własną odpowiedź, ocenia, jak bardzo odbiega od wzorca, i automatycznie dostosowuje kolejne wyszukiwania, poprawiając skuteczność swoich działań.

– Choć takie programy nie są czymś zupełnie nowym – istnieją już podobne narzędzia do identyfikacji chromosomów dicentrycznych – to 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 – mówi prof. Beata Brzozowska.

Fakt, że oprogramowanie MaksChroms jest w domenie otwartej, oznacza, że wciąż będzie można je ulepszać i rozwijać.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. 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.

Źródło ilustracji

Maksymilian Głowacki jest głównym autorem programu MaksChroms – pracował nad nim najpierw jako student w ramach swojej pracy licencjackiej, a następnie kończył go będąc doktorantem w Obserwatorium Astronomicznym UW, w ramach Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych.

Beata Brzozowska 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.

Józef Ginter uzyskał doktorat z fizyki w dziedzinie neuroinformatyki („analiza sygnałów EEG podczas dobrowolnego ruchu lub jego wyobrażenia”). Obecnie łączy pracę na Wydziale Medycznym UW oraz na Wydziale Fizyki UW, zajmując się analizą obrazów medycznych oraz danych biologicznych z wykorzystaniem uczenia maszynowego.

Tekst ukazał się w portalu Serwis Naukowy UW