Фертильные ощущения: ИИ выявит опасные для деторождения вещества в окружающей среде

Российские ученые разработали способ выявлять тысячи химических веществ, потенциально способных незаметно влиять на репродуктивное здоровье. Определять опасные соединения еще до лабораторных испытаний поможет искусственный интеллект. Специалисты создали систему, которая прогнозирует, могут ли химикаты нарушать работу рецептора прогестерона — гормона, важного для овуляции и сохранения беременности. Разработка позволит быстрее отбирать вещества, требующие проверки, и в перспективе усилить контроль за химической безопасностью. Кроме того, ее можно будет применять при лечении бесплодия, рассказали эксперты.

ИИ для выявления опасных для половой системы веществ

Ученые Сеченовского университета разработали систему на основе машинного обучения для предварительной оценки химических веществ, потенциально влияющих на репродуктивную систему. Она прогнозирует, может ли соединение связываться с рецептором прогестерона, активировать или блокировать его, а также оказывать общее токсическое действие на клетки.

Традиционная токсиколого-гигиеническая оценка химических веществ, включающая определение репродуктивной токсичности, то есть способности нарушать половую функцию, фертильность или развитие потомства, требует значительных ресурсов и использования лабораторных животных. При этом число химических соединений настолько велико, что подробное экспериментальное исследование каждого из них невозможно.

Фото: Сеченовский университет

Руководитель исследования, к.м.н., доцент кафедры экологии человека и гигиены окружающей среды Института общественного здоровья им. Ф.Ф. Эрисмана Екатерина Гусева

Одной из важных мишеней таких веществ считается рецептор прогестерона. Некоторые ксенобиотики способны связываться с ним, имитируя действие гормона или блокируя его активность.

— Рецептор прогестерона играет важную роль в регуляции репродуктивных процессов, однако инструментов вычислительной токсикологии пока значительно меньше, чем для рецепторов эстрогена и андрогена. Для нас было важно создать подход, который позволил бы приоритизировать химические вещества по степени риска негативного воздействия на репродуктивную систему и эффективно планировать дальнейшие исследования, — отметила руководитель исследования, к.м.н., доцент кафедры экологии человека и гигиены окружающей среды Института общественного здоровья им. Ф.Ф. Эрисмана Екатерина Гусева.

Для профилактической токсикологии это означает возможность превентивной оценки безопасности новых или недостаточно изученных соединений. Особенно важно таким образом проверять промышленные химикаты, средства защиты растений, а также другие ксенобиотики, массово присутствующие в окружающей среде и требующие оперативного контроля за их содержанием, рассказала специалист.

Для создания системы исследователи использовали базу данных Tox21 и информацию более чем о 7 тыс. соединений с известными результатами экспериментов. Система оценивает, взаимодействует ли новое вещество с рецептором прогестерона, каким может быть эффект и не объясняется ли он общим токсическим действием на клетки.

Фото: Сеченовский университет

Выпускник Сеченовского Университета и стажер центра цифровых стратегических проектов FAST Иван Немченко

Лучше всего модели распознавали соединения, способные связываться с рецептором прогестерона. Система также учитывает, насколько новое вещество похоже на те, на которых она обучалась: если различия слишком велики, прогноз считается менее надежным и требует экспериментального подтверждения.

— Химических соединений, с которыми контактирует человек, очень много, и подробно исследовать каждое экспериментально невозможно. Мы разрабатываем инструмент, который поможет определить, какие соединения стоит проверить в первую очередь. Для нас важно, чтобы исследователь получал не только прогноз, но и оценку того, насколько он надежен для конкретного вещества, — рассказал один из авторов разработки, выпускник Сеченовского университета и стажер центра цифровых стратегических проектов FAST Иван Немченко.

Навыки программирования и анализа данных, необходимые для работы над проектом, он получил в совместном кампусе Сеченовского университета и «Школы 21» — школы цифровых технологий «Сбера. После основного трека он освоил направление «Искусственный интеллект в медицине» и применил полученные знания при создании системы токсикологического скрининга.

Перспективы раннего выявления репродуктивной токсичности

Разработка пока представляет собой исследовательский прототип и не заменяет лабораторные испытания. Ее задача — сузить круг веществ, которые необходимо проверять в первую очередь.

— Следующий этап — проведение расширенной валидации модели на независимых выборках веществ и ее интеграция с уже существующими вычислительными инструментами для комплексной оценки воздействия на систему стероидных половых гормонов. Это позволит оценить перспективы внедрения разработанного подхода при токсиколого-гигиенической оценке химической безопасности, — сказала Екатерина Гусева.

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Сергей Лантюхов

Часть химических соединений может воздействовать на рецептор прогестерона: имитировать действие гормона или блокировать его. В результате нарушаются овуляция, имплантация эмбриона и сохранение беременности, рассказала молекулярный биолог Арина Холькина. К известным тератогенам относятся, например, ретиноиды и талидомид — вещества, способные вызывать пороки развития плода.

— Проблема в том, что единой регламентированной базы, где можно быстро проверить любое вещество на такой риск, нет. Соединений, с которыми человек контактирует в быту и на работе, тысячи, и экспериментально проверить каждое из них нереально. Система Сеченовского университета на основе машинного обучения решает эту задачу: она обучена на тысячах соединений с известными результатами и предсказывает, способно ли новое вещество связываться с рецептором прогестерона, активировать его или блокировать, а также обладает ли молекула общей токсичностью для клеток, — пояснила она.

По сути, это фильтр, который отбирает из тысяч соединений те, что в первую очередь стоит проверить в лаборатории. Такой подход поможет своевременно защитить беременных и тех, кто планирует завести детей, от потенциально опасного воздействия химических веществ, подытожила эксперт.

Фото: ИЗВЕСТИЯ/Полина Фиолет

Подобные системы могут пригодиться и при лечении бесплодия. Если анализ профиля микроРНК в крови позволит определить, какие рецепторы подавлены на эпигенетическом уровне, врач сможет быстрее понять, почему стандартная терапия не дает результата. Об этом «Известиям» рассказала акушер-гинеколог, консультант Рационального центра генетических исследований MyGenetics Ольга Ярошенко. По ее словам, такой подход может изменить тактику лечения бесплодия: он позволит выявлять прогестероновую резистентность и учитывать ее при выборе терапии.

— Если система выявляет высокий маркер токсического поражения, пара направляется на предварительный детокс этап подготовки до начала дорогостоящих циклов ВРТ (вспомогательные репродуктивные технологии), — сказала врач.