Внеклеточная ДНК в материнской крови и искусственный интеллект: точное пренатальное выявление врожденных пороков сердца плода

Исследователи разработали анализ крови для беременных женщин, который использует искусственный интеллект и генетические биомаркеры для точного выявления врожденных пороков сердца у плода задолго до рождения.

   "Мы знаем, что при ранней диагностике врожденных пороков сердца - в идеале до рождения - исходы могут значительно улучшиться, а смертность и заболеваемость снизиться", - говорит Рэй Бахадо-Сингх, руководитель системы акушерства и гинекологии Госпиталя Бомонт и ведущий автор статьи, опубликованной в недавнем выпуске журнала American Journal of Obstetrics and Gynecology. Бахадо-Сингх, его коллеги использовали возможности искусственного интеллекта для выявления и оценки ДНК плода, циркулирующей в кровотоке матери.

   Бахадо-Сингх предупреждает, что для подтверждения полученных результатов необходимы более крупные проспективные исследования. Однако, по его словам, этот минимально инвазивный метод обнаружения является важным первым шагом в разработке эффективного плана действий в послеродовом периоде, который позволит быстро направить новорожденных из группы риска на получение необходимой им интенсивной медицинской и хирургической помощи.

"После подтверждения эти результаты могут привести к разработке новых интересных протоколов и, что самое важное, к улучшению состояния новорожденных и их семей. Следующие шаги после положительного теста будут включать проведение эхокардиограммы пренатально и повторной после рождения для подтверждения наличия и характера порока сердца", - отметил он.

   В настоящее время ультразвуковое исследование, которое позволяет получить изображение сердца плода, является единственным доступным инструментом скрининга для раннего (пренатального) выявления врожденных пороков сердца. К сожалению, только около половины врожденных пороков сердца у плода выявляются при пренатальном ультразвуковом исследовании. Из-за этого ограничения в настоящее время стандартом медицинской помощи является скрининг и мониторинг уровня кислорода у новорожденных с помощью пульсоксиметрии. К сожалению, пульсоксиметрия все еще пропускает около 10 % критических пороков сердца у новорожденных, что приводит к увеличению смертности и тяжелым осложнениям.

   Врожденные пороки, особенно те, которые являются следствием заболеваний сердца, являются одной из основных причин детской смертности. К ним относятся наиболее распространенный порок сердца - отверстие в сердечной перегородке, а также другие потенциально смертельные врожденные пороки сердца, которые могут повлиять на уровень кислорода и кровоток при рождении; клапанные и другие аномалии. Курение, употребление алкоголя, токсины окружающей среды и недостаток витаминов - все это известные факторы, способствующие развитию врожденных пороков сердца. 

   "Эти агенты эпигенетические изменения в ДНК, которые могут повлиять на функцию генов, критически важных для развития сердца, - объясняет Бахадо Сингх, - путем включения или выключения генов. Например, чтобы камеры сердца были полностью развиты, нужно, чтобы определенная группа генов была включена, а другие выключены. Включение или выключение неправильных генов в этой обычно идеально оркестрованной симфонии может вызвать неправильное развитие, приводящее к серьезным порокам сердца".

   Анализ циркулирующей (в том числе фетальной) ДНК, полученной из крови матери, с помощью искусственного интеллекта, - пояснил Бахадо-Сингх, - позволяет нам эффективно просматривать потенциально миллиарды единиц информации в геноме. Это включает в себя быстрое определение конкретных предикторов возможного порока сердца плода и выделение тех, которые нуждаются в постоянном наблюдении".

   В конечном счете, авторы исследования хотели бы, чтобы все беременные женщины получили доступ к скринингу - с помощью анализа крови, который не требует предварительной записи на прием или значительного отрыва от работы. Тех, у кого тест окажется положительным, можно будет направлять на детальное ультразвуковое исследование сердца плода и новорожденного, а также, при необходимости, на соответствующее раннее вмешательство. "Мы еще очень далеки от этого", - сказал Бахадо Сингх. "Но размышлять о возможностях очень захватывающе".

Bahado-Singh, R., et al. Внеклеточная ДНК в материнской крови и искусственный интеллект: точное пренатальное выявление врожденных пороков сердца плода (аннотация).

   Цитозин-нуклеотидное метилирование ДНК (эпигеномика и эпигенетика) является важным механизмом контроля экспрессии генов при развитии сердца. Сочетание искусственного интеллекта и полногеномного эпигеномного анализа циркулирующей внеклеточной ДНК в материнской крови имеет потенциал для выявления врожденных пороков сердца у плода.

   Цель данного исследования - использовать геномное цитозиновое метилирование ДНК и анализ циркулирующей внеклеточной ДНК с помощью искусственного интеллекта для минимально инвазивного выявления врожденных пороков сердца у плода.

   В этом проспективном исследовании был проведен полногеномный анализ метилирования цитозиновых нуклеотидов в циркулирующей внеклеточной ДНК с использованием Illumina Infinium MethylationEPIC BeadChip. Для выявления врожденных пороков сердца были оценены несколько методов искусственного интеллекта. Программа Ingenuity Pathway Analysis использовалась для определения генных путей, которые были эпигенетически изменены и важны в патогенезе врожденных пороков сердца для дальнейшего выяснения патогенеза изолированных врожденных пороков сердца.

   Было зарегистрировано 12 случаев изолированных несиндромальных врожденных пороков сердца и 26 соответствующих контролей. В общей сложности 5918 цитозиновых нуклеотидов в 4976 генах имели значительно измененное метилирование, то есть значение P <.05 и ≥5% разницы в метилировании цитозиновых нуклеотидов всего генома в случаях врожденных пороков сердца по сравнению с контролем. Анализ данных о метилировании с помощью искусственного интеллекта позволил достичь превосходной точности прогнозирования врожденных пороков сердца (площадь под кривой операционной характеристики приемника ≥0,92). Например, модель искусственного интеллекта, использующая комбинацию из 5 цитозиновых нуклеотидных маркеров всего генома, достигла площади под кривой операционной характеристики 0,97 (95% доверительный интервал, 0,87-1,0) с чувствительностью 98% и специфичностью 94%. Мы обнаружили эпигенетические изменения в генах и генных путях, вовлеченных в следующие важные процессы развития сердца: "развитие и функция сердечно-сосудистой системы", "гипертрофия сердца", "врожденная аномалия сердца" и "сердечно-сосудистые заболевания". Это придает биологическое обоснование нашим результатам.

   Данное исследование показало возможность минимально инвазивного выявления врожденного порока сердца плода с помощью искусственного интеллекта и анализа метилирования ДНК циркулирующей внеклеточной ДНК для прогнозирования врожденного порока сердца плода. Кроме того, полученные данные подтверждают важную роль эпигенетических изменений в развитии врожденного порока сердца.