eLife论文解读!应用深度培训技术驱动的三维全息照相显微追踪和阐发CAR

2021年3月16日讯/BIOON/---及时跟踪和阐发嵌合抗原受体（CAR）T细胞（CAR-T）靶向癌细胞的动静变动，可认为癌症免疫疗法的开辟开发新的路径。然而，通过传统的显微镜办法进行成像能够会招致细胞毁伤，并且对细胞与细胞之间的互相作用进行评价长短常困难和消耗人力的。然而，当将深度培训和三维全息显微镜利用于这项工作时，这不仅防止了这些困难，并且还发现人工智能（AI）比人类表示得更好。

人工智能正在帮忙迷信家们破译一种新的全息显微镜技术所得到的图像，以便查询拜访癌症免疫疗法中“及时”产生的症结进程。人工智能将那些要是迷信家们手动展开的十分消耗人力和光阴的任务转变为不仅绝不辛苦，并且比他们本人做得更好。这项由韩国迷信技术院（KAIST）的研讨职员展开的研讨近期颁发在eLife期刊上，论文题目为“Deep-learning-based three-dimensional label-free tracking and analysis of immunological synapses of CAR-T cells”。

图片来自eLife, 2020, doi:10.7554/eLife.49023。

人类免疫体系不仅能对任何入侵者（如病原体或癌细胞）作出普通反馈，并且还能专门对该特定类型的入侵者作出反馈，并在它试图再次入侵时记住它。免疫体系发育进程中的一个症结阶段是在一种称为T细胞的免疫细胞和一种向它呈递源自入侵者的抗原的细胞之间造成连贯。这个进程就像把嫌疑人的照片送到警车上，让警察能认出他们要清查的罪犯一样。这两种细胞之间的连贯，称为免疫突触（immunological synapse），是教会免疫体系若何辨认特定类型入侵者的症结进程。

因为免疫突触的造成是抗原特同性免疫反馈启动的症结步调，各类许可人们察看该进程产生的技术已被用于研讨它的动静变动。这些及时成像技术年夜多依赖于荧鲜明微镜，在这种荧鲜明微镜中，基因调整招致细胞中的部门卵白发生荧光，进而许可通过荧光而不是通过许多传统显微镜技术中使用的反射光来跟踪工具。

然而，基于荧光的成像能够会遭到光漂白和光毒性之类的影响，从而阻止恒久评价免疫突触造成进程中的动静变动。基于荧光的成像仍旧波及照明，一经照明，荧光团（惹起荧光的化合物）收回分歧色彩的光。当察看工具蒙受过多的照明时，会产生光漂白或光毒性，从而招致化学改动或细胞毁伤。

比来的一种勾销了荧光标志从而防止了这类成绩的选择方案是三维全息显微镜或全息断层扫描显微镜（holotomography, HT）。在这种技术中，折射率（当遇到密度分歧的物资时，光线改动偏向的方式--为什么一根吸管看起来像在水杯中蜿蜒一样）被记载在三维全息图中。 到今朝为止，HT始终用于研讨单细胞，但从未研讨过免疫反馈中波及的细胞与细胞之间的互相作用。此中的一个次要起因是“联系（segmentation）”的困难，联系指的是区分细胞的分歧部门，从而区分互相作用的细胞；换句话说，破译哪个部门属于哪个细胞。

手动联系，或手动标志出分歧的部门，是一种选择方案，但它是困难和耗时的，特殊是在三维空间中。为了降服这个成绩，人们开辟出了自动联系技术，如许应用复杂的盘算机算法就可以进行辨认。

论文独特通信作者、KAIST物理系传授YongKeun Park解释说，“然则这些根本算法常常会犯差错，特殊是在相邻联系（adjoining segmentation）方面，当然这恰是咱们最感趣味的免疫反馈产生的事情。”

于是，这些研讨职员将深度培训框架利用于HT联系成绩。深度培训是一品种型的机械培训，即基于人脑的人工神经网络以相似人类的方式辨认形式。惯例的机械培训必要将数据作为曾经标志的输出。人工智能通过懂得已标志的数据进行“培训”，当输出新的数据时，再辨认已标志的观点。例如，在一千张标志为“猫”的猫图片上训练的人工智能在下次遇到有猫的图片时，应该可以辨认出猫。深度培训波及到多层人工神经网络来踊跃处置更年夜的但没有标志的数据集，在这种环境下，人工智能为它遇到的观点开辟它本人的“标志”。

从实质上讲，这些研讨职员开辟的名为DeepIS的深度培训框架提出了本人的观点，通过这些观点来区分免疫突触造成进程中的分歧部门。为了验证这种办法，他们将它利用于CAR-T细胞和靶癌细胞之间造成的特定免疫突触的动静变动。然后，他们将这些研讨成果与通常环境下的做法进行了比拟：执行手动联系的繁琐进程。他们发现，DeepIS不仅可能高精度地确定免疫突触内的区域，并且这种技术乃至可能捕获到免疫突触内的卵白总体散布的信息，而这些信息能够不容易用传统技术丈量到。

Park弥补道，“除了让咱们防止了人工联系的繁琐，以及光漂白和光毒性的成绩，咱们发现人工智能理论上做得更好。”

下一步将把这种技术与给丈量免疫突触的分歧部门施加若干物理力的办法（比方全息光学镊子或牵引力显微镜）联合起来。（100医药网 100yiyao.com）