Senėjimo sumažinimas iki vieno kintamojo dinamikos sudaro kiekybinį senėjimo modelį stochastinės lygties forma. (1) iš nuor. 18, ir šis tyrimas skiriasi nuo ankstesnių pasiūlymų mirtingumą nustatyti iš fiziologinės būklės dinamikos58, 59. Tokie modeliai yra matematinės atsitiktinių pasivaikščiojimų labai didelių matmenų erdvėse metaforos, todėl gali būti sunku interpretuoti arba daryti išvadas iš biologinių signalų be papildomų prielaidų. Manome, kad kritiškumas yra naudingas teorinis stebėjimas, o gilus mokymasis yra puiki praktinė priemonė, kuri gali būti naudojama kartu siekiant supaprastinti modelio parametrų ir jų sąsajų su organizmo savybėmis nustatymą. Atkreipiame dėmesį, kad Gompertzo mirtingumo dėsnio paaiškinimas yra nepakankamas senėjimo teorijos įrodymas. Fiziologinių indeksų stochastinės išilginės dinamikos suderinimas su modelio prognozavimu yra daug sunkesnis iššūkis ir turėtų būti naudojamas kaip veiksminga modelio patvirtinimo priemonė.

Cistanche glikozidas taip pat gali padidinti SOD aktyvumą širdies ir kepenų audiniuose ir žymiai sumažinti lipofuscino ir MDA kiekį kiekviename audinyje, efektyviai pašalindamas įvairius reaktyvius deguonies radikalus (OH-, H2O₂ ir kt.) ir apsaugodamas nuo DNR pažeidimo. OH-radikalais. Cistanche feniletanoidiniai glikozidai pasižymi stipriu laisvųjų radikalų šalinimo gebėjimu, didesne redukcine galia nei vitaminas C, pagerina SOD aktyvumą spermos suspensijoje, mažina MDA kiekį ir turi tam tikrą apsauginį poveikį spermos membranos funkcijai. Cistanche polisacharidai gali sustiprinti SOD ir GSH-Px aktyvumą eksperimentiškai senstančių pelių eritrocituose ir plaučių audiniuose, kuriuos sukelia D-galaktozė, taip pat sumažinti MDA ir kolageno kiekį plaučiuose ir plazmoje bei padidinti elastino kiekį. geras sugeriantis poveikis DPPH, pailgina senstančių pelių hipoksijos laiką, pagerina SOD aktyvumą serume ir lėtina fiziologinę plaučių degeneraciją eksperimentiškai senstančiose pelėse Dėl ląstelių morfologinės degeneracijos, eksperimentai parodė, kad Cistanche pasižymi geru antioksidaciniu gebėjimu. ir gali būti vaistas, skirtas odos senėjimo ligų prevencijai ir gydymui. Tuo pačiu metu Cistanche esantis echinakozidas turi didelį gebėjimą sunaikinti DPPH laisvuosius radikalus ir geba pašalinti reaktyviąsias deguonies rūšis ir užkirsti kelią laisvųjų radikalų sukeltam kolageno skaidymui, taip pat turi gerą atkuriamąjį poveikį timino laisvųjų radikalų anijonų pažeidimams.

Spustelėkite Cistanche Powder Bulk

【Daugiau informacijos: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

dFI padidėjo eksponentiškai su amžiumi, būdingas padvigubėjimo rodiklis {{0}},02 per savaitę. Šis įvertinimas yra šiek tiek mažesnis nei (bet vis tiek toks pat kaip) SWR/J padermės tikėtinas Gompertz mirtingumo pagreičio rodiklis 0,037 per savaitę22. Atsižvelgiant į pastebėtus dFI padvigubėjimo greičius pelėms, t ~ 3, taigi ir deterministiniai fenotipiniai pokyčiai, atsitiktinių efektų dominuoja 3 kartus (žr. (2) lygtį ir 3 pav.).

Dar įdomiau, kad skerspjūvio duomenų rinkinyje dFI prisotintas ribine verte, kuri pasiekiama sulaukus amžiaus, atitinkančio vidutinę gyvenimo trukmę grupėje. Tačiau mes pastebėjome, kad dFI lubos atitinka dFI lygius gyvūnų, kuriems numatyta eutanazija, grupėse dėl pernelyg didelio sergamumo pagal dabartinius laboratorinius protokolus, o tai yra taip arti mirties nuo natūralių priežasčių, kiek gyvūnai galėtų būti šiuolaikinėje laboratorijoje.

Abi MPD senėjimo trajektorijų savybės yra suderinamos su analitiniais Eq. (1) užsakymo parametro dinamikai. Nuorodoje 18, paaiškinome, kad ankstyvame gyvenime dFI didėja eksponentiškai (žr. (2) lygtį). Amžius, maždaug atitinkantis vidutinę populiacijos gyvenimo trukmę, dFI dinamiką perima netiesiniai efektai, o organizmo būsena nuo jaunatviškos būsenos nukrypsta net greičiau nei eksponentiškai. Tokia situacija nesuderinama su išgyvenimu, todėl jos negalima pastebėti duomenyse. Mūsų modelyje ir eksperimente mirtis įvyksta greitai, kai tam tikru gyvūno gyvenimo istorijos momentu pasiekiamas maksimalus dFI lygis.

Stochastinė lygtis. (1) nustato organizmo fiziologinės būklės „judėjimo dėsnį“ ir prognozuoja vėlyvojo gyvenimo mirtingumo lėtėjimą mirtingumo prisotinimo forma plokščiakalnio lygyje, Mðt ≫ tÞ ≈ . Numatomas ryšys tarp ribojančio mirtingumo ir mirtingumo lygio padvigubėjimo laiko, vykstančio įvairiose rūšyse60, ir eksperimentų keliomis sąlygomis su tomis pačiomis rūšimis, pavyzdžiui, nematodais42. Čia mes pranešame apie ribojančio mirtingumo prognozės patvirtinimą labai didelėse pelių grupėse iš ref. 25.

Geras pusiau kiekybinis sutapimas tarp empirinių mirtingumo kreivių dideliuose eksperimentuose ir teorinės prognozės suteikia nepriklausomą ir jautrų senėjimo kritiškumo modelio testą kaip teorinį pagrindą, čia siūlomą duomenų analizei eksperimentuose su senstančiais gyvūnais. Tiksliau sakant, eksperimentinis mirtingumo vėlyvojo gyvenimo lėtėjimo prognozės patvirtinimas patvirtina pagrindinę stochastinę lygtį. (1) ir ryšį tarp jo sprendimo dFI forma ir mirtingumo dėl bet kokios priežasties. Taip pat pažymime, kad modelio mirtingumo lėtėjimas atsiranda dėl eilės parametrų dinamikos stochastinės prigimties ir turėtų būti tikėtinas net genetiškai identiškų gyvūnų grupėje (žr. diskusiją 61 nuorodoje).

Nukrypimų nuo Gompertzo dėsnio taip pat pasitaiko žmonių kohortose, tačiau vyresniame amžiuje, kai mirtingumas jau gerokai viršija teorinę ribą, atitinkančią mirtingumo lygio padvigubėjimo rodiklį beveik dydžiu60. Tai reiškia, kad organizmo būsenos dinamikos pobūdis senstant žmogui kokybiškai skiriasi nuo pelių ar nematodų. Nuorodoje 5, mes pastebėjome, kad žmonių fiziologinių rodiklių svyravimuose taip pat dominuoja kolektyvinis kintamasis, kuriam būdingas gana ilgas, bet ribotas autokoreliacijos laikas (kelių savaičių intervale) ir susijęs su amžiumi bei mirtingumu dėl visų priežasčių. Asmenų, turinčių dinaminio stabilumo praradimo požymius (matuojamas pagal itin ilgus autokoreliacijos laikus), skaičius eksponentiškai didėjo su amžiumi tokiu greičiu, kuris atitiko mirtingumo padvigubėjimo rodiklį pagal Gompertzo mirtingumo dėsnį61.

Intymus ryšys tarp fiziologinės būklės kintamųjų autokoreliacijos savybių ir senėjimo požymių rodo, kad AR analizė, sustiprinta gilaus mokymosi, gali padėti atrasti žmogaus senėjimo ir lėtinės ligos progresavimo požymius. Nauda gali būti ypač didelė atliekant tyrimus, kuriuose atliekami dideli išilginių matavimų rinkiniai, tačiau dažnai trūksta informacijos apie mirtingumą ir sergamumą. Nors pelių senėjimo požymiai yra koreliuojami ir pirmiausia grįžtami, didelė dalis fiziologinių pokyčių, susijusių su žmonių senėjimu, yra stochastiniai ir gali būti termodinamiškai negrįžtami62. Todėl tikimės, kad sistemingas dinaminių sistemų teorijos principų taikymas biomedicininių duomenų analizei padės nustatyti veiksmingus senėjimo fenotipus ir taip palengvinti senėjimą stabdančių terapijų, kurios sukelia ilgalaikį jauninantį poveikį, atradimą ir plėtrą.

Metodai

Duomenų rinkiniai

Mokymo duomenų rinkinys buvo parengtas iš devynių MPD19 duomenų šaltinių. Įtrauktų šaltinių sąrašas pateikiamas 1 papildomuose duomenyse su nuorodomis į įtrauktus ir trūkstamus įrašus, sugrupuotus pagal lytį ir amžių. Mes naudojome tyrimus, teikiančius tik CBC duomenis, tyrimai su kitais biomarkeriais nebuvo svarstomi dėl nepakankamo mėginių skaičiaus. Mūsų modelis buvo apmokytas naudojant geriausią galimų CBC funkcijų sutapimą iš visų šaltinių. Galutiniame sąraše buvo 12 CBC požymių: granulocitų skirtumas (GR proc.), granulocitų skaičius (GR), hemoglobinas (HB), hematokritas (HCT proc.), limfocitų skirtumas (LY proc.), limfocitų skaičius (LY), vidutinis kraujo kūnelių hemoglobino kiekis ( MCHC), vidutinė hemoglobino koncentracija (MCH), vidutinis korpuso tūris (MCV), trombocitų skaičius (PLT), raudonųjų kraujo kūnelių skaičius (RBC) ir baltųjų kraujo kūnelių skaičius (WBC). Visų santrumpų sąrašą rasite 2 papildomuose duomenyse. Jei duomenų šaltinyje nebuvo granulocitų matavimų, jie buvo gauti naudojant formules:

Visi gyvūnai, kuriems trūksta vieno ar daugiau parametrų, buvo pašalinti iš mokymo. Išskirtų įrašų procentas buvo<2% and should not have affected the results.

Gyvūnai

Visi eksperimentai su gyvūnais buvo patvirtinti Roswell Park Cancer Institute institucinio gyvūnų priežiūros ir naudojimo komiteto arba Explora BioLabs, Inc. gyvūnų naudojimo komiteto.

Gavome 4–5-savaičių NIH Šveicarijos pelių patinų ir patelių iš Charles River Laboratories (Wilmington, MA). Jiems buvo leista pasenti Roswell Park Comprehensive Cancer Center (RPCCC) gyvūnų įstaigoje. Per tą laiką pelės buvo laikomos po 1–3 narve ir buvo šeriamos ad-lib standartiniu maistu (Tekland Global 18 procentų baltymų graužikų dieta). Kuriant PFI3, kraujo mėginiai buvo paimti įvairaus amžiaus. Kraujo mėginiai buvo paimti iš vienos submandibulinės venos kraujavimo į EDTA apdorotus Vacutainer mėgintuvėlius (bendras tūris 20 ul) ir naudojami viso kraujo ląstelių skaičiui ir gliukozės matavimui naudojant Hemavet 950 Analyzer (Drew Scientific). Dar 75 ul kraujo buvo surinkti į Li-Heparinu apdorotus plazmos separatoriaus mėgintuvėlius; plazma buvo išgryninta centrifuguojant 5000 × g 5 minutes ir naudojama cirkuliuojančių priešuždegiminių citokinų ir trigliceridų koncentracijai matuoti.

Duomenų rinkinys MA0071 buvo sukurtas atliekant skerspjūvio eksperimentą, naudojant NIH Šveicarijos pelių patinus ir pateles. Kraujas buvo paimtas iš pelių patinų, sulaukus 26 (n=20), 64 (n=18), 78 (n=17), 92 (n=14), ir 132 (n=6) savaites. Moterų amžiaus grupėms atstovavo 30 (n=20), 56 (n=20), 68 (n=19), 82 (n=19), 95 metai. (n=18), 108 (n=20) ir 136 (n=7) savaites. Duomenų rinkinys MA0072 buvo gautas iš išilginio eksperimento. Kraujo mėginiai buvo paimti sulaukus 66 (n=27), 81 (n=22), 94 (n=21), 109 (n=16) ir 130 metų amžiaus. (n=7) savaites. Duomenų rinkinys MA0073 apima kraujo mėginius, paimtus iš 97 skirtingo amžiaus pelių patinų ir 127 patelių, kai gyvūnai pasiekė patvirtintus eksperimentinius rezultatus ir reikalavo humaniškos eutanazijos. Visos procedūros su gyvūnais buvo atliktos pagal patvirtintą Institucinio gyvūnų priežiūros ir naudojimo komiteto (IACUC) protokolą. Pelės buvo kasdien stebimos, ar neatsiranda su amžiumi susijusių patologijų. Kai buvo pranešta apie sveikatos problemas, tyrimo darbuotojai susisiekdavo su veterinarijos gydytojais ir laikėsi jų rekomendacijų dėl gydymo arba eutanazijos. Pelės buvo gydomos tol, kol būklė pagerėjo arba buvo nužudyta, kai buvo pasiektas kiekvienos protokole aprašytos sveikatos būklės galutinis taškas. Eutanazija buvo atlikta CO2 uždusimu, po kurio buvo išnirtas gimdos kaklelis. Žr. 3 papildomus duomenis apie bendrą gyvūnų skaičių šiuose duomenų rinkiniuose.

44–106 savaičių amžiaus p16/INK4a-LUC pelių patelės (p16-Luc) buvo gautos iš N. Sharpless laboratorijos Šiaurės Karolinos universitete (Chapel Hill, NC). Visi gyvūnai buvo laikomi 12:12 šviesos ir tamsos sąlygomis (12 valandų šviesos, po to 12 valandų tamsos) RPCCC laboratorinių gyvūnų bendrame šaltinyje. Visi eksperimentai su gyvūnais buvo patvirtinti Roswell Park Cancer Institute IACUC. Bioliuminescencinis vaizdas buvo atliktas naudojant IVIS Spectrum vaizdo gavimo sistemą (Caliper LifeSciences, Inc, Waltham, MA). p16/Ink4a-Luc plus /- pelėms buvo sušvirkšta į pilvaplėvės ertmę D-Luciferin (150 mg/kg, Gold Biotechnology), po 3 minučių anestezuotos izofluranu ir vaizduojamos naudojant 20-antrą integracijos laiką ir terpės surišimą. Vaizdai buvo apdoroti ir kiekybiškai įvertinti kaip fotonų srauto suma, įrašyta iš abiejų kiekvienos pelės pusių, naudojant „Living Image“ programinę įrangą (Perkin Elmer, Waltham, MA).

Gydymo rapamicinu eksperimentui atlikti 60-savaičių senumo C57BL/6J pelių patinai buvo gauti iš Jackson Laboratories (JAV). 60 60-Savaitės senumo C57BL/6 pelių patinų kohorta buvo suskirstyta į gydomąsias (n=12) ​​ir kontrolines (n=48) grupes, naudojant stratifikuotą atsitiktinės atrankos metodą, kad būtų gautas neatskiriamas dFI pasiskirstymas. vertės prieš eksperimentą. Kraujo mėginiai (bendras tūris 120 μL) buvo paimti į EDTA mėgintuvėlius per submandibulinę arba veido veną, naudojant lancetą. Visos procedūros su gyvūnais buvo patvirtintos Explora BioLabs, Inc. gyvūnų naudojimo komiteto (IACUC SP17-004-035B) ir buvo patvirtintos Explora BioLabs, Inc laboratorinių gyvūnų priežiūros, gerovės ir gydymo taisyklėmis. Rapamicinas buvo įsigytas iš LC Laboratories (MA, JAV). Rapamicinas buvo vartojamas kasdien po 12 mg/kg per burną 8 savaites. Kontrolinė grupė buvo gydoma nešikliu (5 proc. Tween-80, 5 proc. PEG-400, 3 proc. DMSO).

Matmenų sumažinimas naudojant PCA

PCA atlikome naudodami Python ir Scikit-learn paketą63. Pirma, visam mokymo duomenų rinkiniui pritaikėme PCA transformaciją. Tačiau pagrindiniuose komponentuose vyravo pelių padermių skirtumas. Pašalinome padermių skirtumą iš visų šios padermės gyvūnų CBC požymių verčių atėmę vidutines CBC požymių reikšmes, apskaičiuotas pagal ankstyviausią pasirinktos padermės amžių:

kur indeksai i ir j išvardija atitinkamai CBC požymius ir padermes ir yra gyvūno amžius. Paprastumo dėlei išfiltravome pelių padermes, kurios nebuvo pateiktos Peters4 duomenų rinkinyje64.

Dauguma duomenų, atspindinčių visą duomenų rinkinį, skirtumų buvo susiję su gyvūnų augimu ir brendimu. Pirmasis PC balas padidėjo su gyvūnų amžiumi, ypač po 25 savaičių (papildomas 1 pav.). Priešingai, antrojo ir trečiojo kompiuterio balai įgyja ne nulinius vidurkius iki to paties amžiaus 25 savaičių. Tai rodo, kad pelių senėjimas ir ankstyvas vystymasis yra skirtingi fenotipai. Vėliau visus skaičiavimus atlikome naudodami vyresnių nei 25 savaičių gyvūnų duomenis.

Statistinė mirtingumo duomenų analizė

Su MPD duomenų rinkiniu Peters4 susietų gyvūnų mirties įrašai taip pat buvo prieinami MPD kaip atskiras duomenų rinkinys, pavadintas Yuan223. Šiuose duomenų rinkiniuose yra skirtingos gyvūnų grupės, kurios labai sutampa. Peters4 duomenų rinkinyje radome 487 gyvūnų mirtingumo įrašus, o 393 gyvūnų nebuvo. Dingimo priežastis nežinoma. Norėdami sukurti cenzūros įrašus, įtraukėme visus gyvūnus, turinčius bent du nuoseklius CBC matavimus. Darėme prielaidą, kad gyvūnai, kuriems buvo atliktas vienas CBC matavimas, tikriausiai buvo paaukoti po kraujo paėmimo. Taigi, jei gyvūnas turi daugiau nei vieną CBC matavimą, mes laikome jį prarastu paskutinio matavimo metu. Iš viso radome 79 gyvūnus, atitinkančius šią sąlygą. Likę 314 gyvūnų, kurių mirtingumo data nežinoma, buvo neįtraukti į analizę.

Spearmano rango koreliacijos testas buvo atliktas atskirai dviem pelių grupėms. Pirmoji grupė apėmė visus gyvūnus iš Peters4 duomenų rinkinio su necenzūriniais mirtingumo įrašais. Antroji grupė apėmė gyvūnus iš Peters4 duomenų rinkinio, kurio kūno masės ir IGF1 lygio serume matavimai buvo paimti iš MPD duomenų rinkinio, pavadinto Yuan1 24.

Mes atlikome Cox PH regresijos analizę naudodami Python ir Lifelines 65 paketą. Pirmiausia sukūrėme prižiūrimą daugiamatį Cox-PH modelį, naudodami amžiaus, lyties ir CBC ypatybes kaip kovariatorius ir naudodami visų Peters4 gyvūnų duomenis. duomenų rinkinį, įskaitant cenzūruotus ir necenzūruotus mirtingumo įvykius. Modelio išvestis, logaritminio pavojaus koeficientas (HRCBC) yra taškinė vektoriaus sandauga, susidedanti iš CBC savybių ir atitinkamų Cox-PH modelio koeficientų. Tada mes išbandėme HRCBC funkcijos susiejimą vienanariame Cox-PH modelyje kartu su dFI balu to paties amžiaus ir lyties gyvūnų grupėse (žr. 6 papildomus duomenis) kaip alternatyvą Spearmano rango koreliacijos testui. Abu bandymai buvo gerai suderinti vienas su kitu.

AE/AR neuroninio tinklo mokymas

Modalinei analizei naudojome gilaus AE ir paprasto AR modelio derinį (AE-AR modelis). Esant kliūtims, AE kodavimo svirtis sukūrė suspaustą 4-matmenų y įvesties vaizdą, 12-matmenų fiziologinės būsenos vektorių x, sudarytą iš turimų CBC matavimų. Dekoderio svirtis atkūrė pradinę 12-matmenų būseną ~ x pagal kliūties ypatybes.

Kartu su AE apmokėme tinklą, kad jis atitiktų išilginį MPD pjūvį (įskaitant visiškai suaugusius gyvūnus nuo 26 iki 104 savaičių amžiaus, o mėginių ėmimo intervalas yra Δt=26 sav.) prie tiesinio (g) tirpalo.=0) Eq. (1),

kur z yra geriausias įmanomas tiesinis AE kakliuko ypatybių derinys, r=expð ΔtÞ ≈ 1, o z0 yra atitinkamai geriausiai tinkančios autoregresijos koeficiento ir pastovaus poslinkio reikšmės. Čia ξ yra pritaikymo paklaida (sistemos triukšmo ir matavimo paklaidų derinys).

Mes priėmėme neuroninio tinklo architektūrą, pasiūlytą nuorodoje. 45. Mūsų diegimas apdorojo skerspjūvio ir išilginius matavimus vienu metu su disbalansu skerspjūvio duomenų naudai, o tai būdinga realaus pasaulio klinikiniams duomenims. Kaip įvestis, tinkle yra trys 12-matmenų vektoriai, vaizduojami CBC parametrais: vienas skerspjūvio duomenų rinkiniui (x) ir du kiti išilginiam duomenų rinkiniui, atitinkančiam dabartį (xn) ir ateitį (xn plius 1). ) pavyzdžio būsenos (7a pav.).

Skerspjūvio pavyzdžiai buvo AE įvestis. Išilginiai mėginiai suspaustoje reprezentacijoje (yn, yn plius 1) taip pat dalyvavo mokomojoje autoregresijos dalyje. Pagrindinis AE įtraukimo į neuroninį tinklą privalumas yra jo gebėjimas efektyviai sumažinti netiesinį matmenį66, kuris būtinas tokiems koreliuojantiems dydžiams kaip CBC komponentai (1a pav.). Sumažintas latentinių matmenų dydis veikia kaip reguliavimas ir padeda treniruotis nepermontuojant mažo išilginio duomenų rinkinio, naudojant daugiau pavyzdžių iš didesnio skerspjūvio duomenų rinkinio.

AE blokas užkoduoja įvestį (x) į 4-matmenų vektorių y=ϕ(x) ir atkuria pradinį signalą e x=ϕ 1 ðyÞ. AE buvo įgyvendintas kaip visiškai sujungtų tankių sluoksnių ir likusių tinklo blokų (ResNet) krūva67. Pagal numatytuosius nustatymus tankūs sluoksniai turi treniruojamą svorio matricą W, poslinkio vektorių b ir linijinio aktyvinimo funkciją. ResNet blokas, parodytas 7b pav., yra dviejų tankių sluoksnių krūva su nesandaraus ištaisyto linijinio bloko (Leaky ReLU) aktyvavimo funkcija. Įvestis ir išvestis yra susieti taikant elementų papildymą. ResNet blokai prideda netiesines ištaisymo transformacijas prie pradinės įvesties, padedant išmokti netiesines transformacijas. AE vienu metu mokomasi skerspjūvio ir išilginių duomenų rinkinių.

Projektoriaus blokas ima 4-matmenų vektorių kaip įvestį ir transformuoja jį į skaliarinį z=A ⋅ y, kurį vadiname dFI. Treniruotės metu į įėjimus tiekiama pora vektorių: vienas in dabartinei sistemos būsenai ir vienas yn plius 1 būsimai būsenai. Tiesinės dinamikos blokas išsprendžia autoregresijos uždavinį (7) ir numato būsimą būseną Zn plius 1=ξ(rZn)=rzn plius b. Pagalbinis dekoderio blokas atkuria pradinį 12-dimensijos CBC vektorių iš tiesinės dinamikos bloko ezn plius 1 išvesties, naudodamas dekoderį ϕ−1 iš AE bloko: e xn plus 1=ϕ 1 ðB ezn plus 1Þ.

Priversti A ir B matricas projektoriuje ir tiesinės dinamikos blokus būti kairiaisiais ir dešiniaisiais savaisiais vektoriais lygties sprendime. (7) pridėjome šiuos apribojimus:

Čia LAE yra AE rekonstrukcijos nuostoliai, Lpred yra būsimo būsenos atstatymo nuostoliai, LAR yra automatinės regresijos nuostoliai, LC yra nuostoliai, kuriais siekiama priverstinai iš Eq. (8), o terminas k Wk2 2 yra L2 NN svorių sureguliavimas, siekiant išvengti per didelio suderinimo problemos.

Svoriai 1, 3 ir 4 buvo priskirti atitinkamai 1, 100 ir 0.01 reikšmėms. 2 svoris treniruotės metu buvo palaipsniui didinamas nuo 0 iki 1. Modelis buvo apmokytas 600 epochų, kurių mokymosi greitis buvo 0,001, o Adomo optimizatorius - 68. Paskutinės 200 epochų buvo mokomos su 0,0001 mokymosi greičiu. AE/AR NN architektūra buvo įgyvendinta naudojant Python ir TensorFlow sistemą69.

Netiesinė užsakymo parametro dinamika yra labai svarbi mirtingumui paaiškinti. Tuo pačiu metu beveik visada gyvūno gyvenimo metu galima nepaisyti netiesiškumo poveikio, jei bedimensinis parametras, išreiškiantis gyvūno gyvenimo trukmę t mirtingumo koeficiento padvigubėjimo laiko vienetais, yra didelis, t ≫ {{1} }. Atsižvelgiant į pastebėtus dFI padvigubėjimo greičius pelėse, t ~ 3, taigi ir linijinis AR modelis yra tik pagrįstas apytikslis apskaičiavimas. Ateityje reikėtų gauti geresnius dFI variantus padidinus AR modelių reitingą, galbūt įtraukiant režimo sujungimo su dFI poveikį.

Modelio įvertinimas

Modelis buvo patvirtintas bandymų duomenų rinkiniuose (žr. 3 papildomus duomenis), kurie buvo visiškai neįtraukti į AE-AR modelio mokymą. Bandymų duomenų rinkiniai buvo gauti iš nepriklausomų eksperimentų renkant CBC mėginius iš skirtingo amžiaus ir lyties NIH Šveicarijos pelių grupių (duomenų rinkinys MA0071), NIH Šveicarijos pelių patinų kohortos, stebėtos 15 mėnesių (duomenų rinkinys MA0072), ir naivių patinų bei NIH Šveicarijos pelių patelės, kurios buvo humaniškai eutanazuotos pasiekus patvirtintus eksperimentinius rezultatus (duomenų rinkinys MA0073).

Mes įvertinome AE rekonstrukcijos paklaidą apskaičiuodami vidutinę kvadratinę paklaidą (RMSE) ir nustatymo koeficientą R2 kiekvienai CBC funkcijai mokymo ir bandymų rinkiniuose (4 papildomi duomenys ir 5 papildomi duomenys). Vidutinis RMSE testo rinkinyje buvo 229,6, kai R2=0.55; treniruočių rinkinyje RMSE buvo 106,4 ir R2=0,77. Geriausia rekonstrukcija pasiekta dėl hematokrito (R2=0.95), raudonųjų kraujo kūnelių (R2=0.92) ir limfocitų (R2=0.87); prasčiausi rezultatai buvo vidutinės korpuskulinės hemoglobino koncentracijos (R2=− 0,82) ir trombocitų (R2=− 0,14) tyrimo rinkinyje. Atkreipiame dėmesį, kad pagal apibrėžimą –1 < R2 < 1 (žr., pvz., 70), skaičius gali būti neigiamas tiek traukinio, tiek patvirtinimo rinkiniuose, o tai rodo ypač blogo atitikimo atvejus.

Vaisto poveikio dFI nustatymas

Atlikome rapamicino poveikio atskirų gyvūnų dFI trajektorijoms tyrimą. Techniškai palyginome dFI lygių padidėjimą pagal individualias gyvenimo istorijas laiko intervalais, priklausomai nuo gydymo tarp vėlesnių laiko taškų. Tokia analizė aiškiai remiasi eilės parametro judėjimo lygtimi (7), kuri yra aproksimuota pagal dFI. Vaisto poveikis pasireiškia kaip "jėgos" terminas, sumažinantis dFI padidėjimą tarp matavimų, kai vaistas skiriamas, ir neturintis jokio poveikio (nėra jėgos), kai vaistas nėra skiriamas, tiek gydymo, tiek kontrolinėje grupėje.

Todėl vaisto poveikio senėjimo procesui nustatymas yra lygiavertis „jėgos“ termino nustatymui autoregresijos uždavinyje lygtyje. (4). Kadangi natūralus dFI lygių skirtumas tarp gyvūnų dažnai yra didelis, išilginiai tyrimai turėtų turėti didesnę statistinę galią nei standartiniai grupių palyginimai. dFI buvo apmokytas naudojant AR modelį (7). Atitinkamai, jis puikiai tinka siekiant maksimaliai padidinti signalo ir triukšmo santykį išilginėje senėjimo intervencijos poveikio analizėje. Jei reikia, autoregresijos modelis gali pritaikyti bet kokį skaičių trikdančių veiksnių, tokių kaip eksperimentinė partija arba gyvūnų lytis. Techniškai tikslą galima pasiekti pridedant atitinkamus kovariatorius prie Eq dešinės pusės (4).

Vėlyvojo gyvenimo mirtingumo ir išgyvenimo analizė

Duomenys apie pelių mirtingumą buvo paimti iš ref. 25. Analizei buvo atrinktos tik kontrolinės grupės. Iš tyrimo pašalintos pelės taip pat buvo pašalintos iš dabartinės išgyvenimo analizės. Pelės buvo sujungtos iš visų trijų tyrimo centrų ir grupių ir suskirstytos į dvi grupes pagal lytį. Iš viso buvo 3249 pelių patinai ir 2978 patelės.

Mirtingumo analizė atliekama naudojant „Nelson-Aalen“ montuotoją iš „lifelines python“ paketo 65. „Gompertz“ atitikčiai išgyvenimams ir kitoms išgyvenimo analizėms naudojome tinkintą kodą, paskelbtą „GitHub“.

Ataskaitų santrauka

Daugiau informacijos apie tyrimų planavimą rasite Gamtos tyrimų ataskaitų santraukoje, susietoje su šiuo straipsniu.

Duomenų prieinamumas

Šio tyrimo išvadas patvirtinančius duomenis galima rasti MPD (RRID: SCR_003212). Neapdorotų duomenų failai ir scenarijai, skirti atkurti visas išvadas, yra „GitHub“ svetainėje. Papildomus duomenis pateikia atitinkami autoriai pagrįstu prašymu. Šiame darbe pateikti šaltiniai.

Kodo prieinamumas

Kodas bus pasiekiamas GitHub svetainėje.

Nuorodos

1. Horvath, S. Žmogaus audinių ir ląstelių tipų DNR metilinimo amžius. Genome Biol. 14, R115 (2013).

2. Levine, ME ir kt. Epigenetinis senėjimo biomarkeris gyvenimo ir sveikatos trukmei. Senėjimas 10, 573 (2018).

3. Antoch, MP ir kt. Fiziologinio silpnumo indeksas (pdf): kiekybinis pelių individualaus biologinio amžiaus įvertinimas. Senėjimas 9, 615 (2017).

4. Putinas, E. ir kt. Gilūs žmogaus senėjimo biomarkeriai: giliųjų neuroninių tinklų taikymas biomarkerių kūrimui. Senėjimas 8, 1021 (2016).

5. Pyrkov, TV ir kt. Išilginė kraujo žymenų analizė atskleidžia laipsnišką atsparumo praradimą ir numato galutinę žmogaus gyvenimo trukmės ribą. Nat. Komun. 12, 2765 (2019).

6. Schultz, MB ir kt. Amžiaus ir gyvenimo trukmės laikrodžiai, pagrįsti pelės silpnumo mašininio mokymosi analize. Nat. Komun. 11, 1 (2020).

7. Cohen, AA ir kt. Naujas statistinis metodas rodo daugelio sistemų fiziologinio reguliavimo sutrikimą senėjimo metu. Mechanizmai Aging Dev. 134, 110 (2013).

8. Mitnitski, AB, Mogilner, AJ & Rockwood, K. Deficito kaupimasis kaip senėjimo pavyzdinis matas. ScientificWorldJournal 1, 323–336 (2001).

9. Mitnitski, A. ir kt. Su amžiumi susijęs silpnumas ir jo ryšys su biologiniais senėjimo žymenimis. BMC Med. 13, 161 (2015).

10. Blodgett, JM, Theou, O., Mitnitski, A., Howlett, SE & Rockwood, K. Laboratorinio silpnumo indekso ir neigiamų sveikatos pasekmių, susijusių su amžiumi ir lytimi, sąsajos. Aging Med. 2, 11 (2019).

11. Justice, J. ir kt. Senolitikai sergant idiopatine plaučių fibroze: pirmojo žmogaus atviro bandomojo tyrimo rezultatai. ebiomedicine 40, 554–563 (2019).

12. Fahy, GM ir kt. Žmonių epigenetinio senėjimo ir imuninės sistemos mažėjimo tendencijų pasikeitimas. Aging Cell 18, e13028 (2019).

13. Hermanas Hakenas. Fizik. Astron. internete Libr.

14. Scheffer, M. ir kt. Išankstinio įspėjimo signalai apie kritinius perėjimus. Nature 461, 53 (2009).

15. Scheffer, M. ir kt. Žmonių ir kitų gyvūnų atsparumo kiekybinis įvertinimas. Proc. Natl Akad. Sci. USA 115, 11883 (2018).

16. Krotovas, D., Dubuis, JO, Gregor, T. & Bialek, W. Morphogenesis atkriticity. Proc. Natl Akad. Sci. 111, 3683 (2014).

17. Kogan, V., Molodtsov, I., Menshikov, LI, Reis, RJS & Fedichev, P. Modelio genų tinklo stabilumo analizė siejasi su senėjimo stresu ir nereikšmingu senėjimu. Sci. Rep. 5, 13589 (2015).

18. Podolskiy, D. Kritinė genų tinklų dinamika yra senėjimo ir Gomperco dėsnio mechanizmas.

19. Bogue, MA ir kt. Prieiga prie duomenų išteklių pelių reiškinių duomenų bazėje, skirta pelių gyvenimo trukmės ir sveikatos trukmės genetinei analizei. J. Gerontologija. Ser. A 71, 170 (2016).

20. Fiedler, BE Handbook of Dynamical Systems, t. 2 (Persijos įlankos profesionali leidykla, 2002).

21. Seydel, R. Praktinė bifurkacijos ir stabilumo analizė, t. 1, p. 477 (Springer Science & Business Media, 2009).

22. Hughes, BG & Hekimi, S. Skirtingi ilgaamžių pelių ir Caenorhabditis elegans mutantų ilgaamžiškumo mechanizmai, atskleisti statistine mirtingumo rodiklių analize. Genetics 204, 905 (2016).

23. Yuan, R. ir kt. Patelių lytinio brendimo amžiaus ir gyvenimo trukmės genetinis bendras reguliavimas cirkuliuojant igf1 tarp inbredinių pelių padermių. Proc. Natl Akad. Sci. 109, 8224 (2012).

24. Yuan, R. ir kt. Senstančios inbredinės pelių padermės: tyrimo planas ir tarpinė ataskaita apie vidutinę gyvenimo trukmę ir cirkuliuojančius igf1 lygius. Aging Cell 8, 277 (2009).

25. Harrison, DE ir kt. Rapamicinas, maitinamas vėlai, pailgina genetiškai nevienalyčių pelių gyvenimo trukmę. Nature 460, 392 (2009).

26. O'Connell, KE ir kt. Praktinė pelių hematopatologija: lyginamoji apžvalga ir reikšmė tyrimams. Komp. Med. 65, 96 (2015).

27. Patel, KV ir kt. Raudonųjų kraujo kūnelių pasiskirstymo plotis ir mirtingumas vyresnio amžiaus žmonėms: metaanalizė. J. Gerontol. 65 A, 258 (2010).

28. Baggiolini, M. Chemokines ir leukocitų srautas.

29. Harris, TB ir kt. Padidėjusio interleukino-6 ir C reaktyvaus baltymo kiekio sąsajos su vyresnio amžiaus žmonių mirtingumu. Esu. J. Med. 106, 506 (1999).

30. Mahmoudi, S., Xu, L. & Brunet, A. Atsukti laiką atgal taikant naujas atjauninimo strategijas. Nat. Cell Biol. 21, 32 (2019).

31. Kuilman, T., Michaloglou, C., Mooi, WJ & Peeper, DS Senatvės esmė. Genes Dev. 24, 2463 (2010).

32. van Deursen, JM. Senstančių ląstelių vaidmuo senstant. Gamta 509, 439 (2014).

33. Hall, BM ir kt. Pelių senėjimas yra susijęs su p16 (Ink4a) ir -galaktozidazės teigiamu makrofagų kaupimu, kurį jaunoms pelėms gali sukelti senstančios ląstelės. Senėjimas 8, 1294 (2016).

34. Kim, WY & Sharpless, NE INK4/ARF reguliavimas sergant vėžiu ir senėjimu. Cell 127, 265 (2006).

35. Burd, CE ir kt. Naviko atsiradimo ir senėjimo stebėjimas in vivo naudojant p16 INK4a-luciferazės modelį. Cell 152, 340 (2013).

36. Wilkinson, JE ir kt. Rapamicinas lėtina pelių senėjimą. Aging Cell 11, 675 (2012).

37. Bitto, A. ir kt. Laikinas gydymas rapamicinu gali padidinti vidutinio amžiaus pelių gyvenimo trukmę ir sveikatos trukmę. elive 5, e16351 (2016).

38. Miller, RA ir kt. Rapamicino sukeltas pelių gyvenimo trukmės padidėjimas priklauso nuo dozės ir lyties ir metaboliškai skiriasi nuo mitybos apribojimo. Aging Cell 13, 468 (2014).

39. Balleza, E. ir kt. Kritinė genetinių reguliavimo tinklų dinamika: pavyzdžiai iš keturių karalysčių. PLoS One 3, e2456 (2008).

40. Nakamura, E., Miyao, K. & Ozeki, T. Biologinio amžiaus įvertinimas pagrindinių komponentų analize. Mech. Aging Dev. 46, 1 (1988).

41. Park, J., Cho, B., Kwon, H. ir Lee, C. Biologinio amžiaus vertinimo lygties kūrimas naudojant pagrindinių komponentų analizę ir klinikinius korėjiečių vyrų senėjimo biomarkerius. Arch. Gerontol. geriatrija 49, 7 (2009).

42. Tarkhov, AE ir kt. Universalus transkriptominis amžiaus požymis atskleidžia Caenorhabditis elegans senėjimo trajektorijų laikiną mastelį. Sci. Rep. 9, 1 (2019).

43. Johnstone, IM & Lu, AY Dėl didelių matmenų pagrindinių komponentų analizės nuoseklumo ir retumo. J. Am. Stat. doc. 104, 682 (2009).

44. Mardt, A., Pasquali, L., Wu, H. & Noé, F. VAMPnets giliam molekulinės kinetikos mokymuisi. Nat. Komun. 9, 5 (2018).

45. Lusch, B., Kutz, JN & Brunton, SL Gilus mokymasis universaliam tiesiniam netiesinės dinamikos įterpimui. Nat. Komun. 9, 4950 (2018).

46. ​​Wu, T. & Tegmark, M. Dirbtinio intelekto fiziko link neprižiūrimo mokymosi link. Fizik. Rev. E 100, 033311 (2019).

47. Liu, Z. & Tegmark, M. Ai poincar\'e: mašininio mokymosi išsaugojimo dėsniai iš trajektorijų. Fizik. Kunigas Lett. 126, 180604 (2020).

48. Hofmann, B. Youngblood atjaunina senus kūnus: raginimas susimąstyti pereinant nuo pelių prie vyrų. Karger 1, 45 (2018).

49. Beerman, I. ir kt. Nuo proliferacijos priklausomi DNR metilinimo kraštovaizdžio pokyčiai yra kraujodaros kamieninių ląstelių senėjimo pagrindas. Cell Stem Cell 12, 413 (2013).

50. Franceschi, C. ir kt. Uždegimo senėjimas: imunosenescencijos evoliucinė perspektyva. Ann. NY Akad. Sci. 908, 244 (2006).

51. Pawelec, G. Imunosenescencija ir vėžys. Biogerontology 18, 717 (2017).

52. Crooke, SN, Ovsyannikova, IG, Lenkija, GA ir Kennedy, RB Imunosenescence ir žmogaus vakcinos imuniniai atsakai. Imunitetas. Senėjimas 16, 25 (2019).

53. Pang, WW ir kt. Žmogaus kaulų čiulpų hematopoetinių kamieninių ląstelių dažnis didėja ir su amžiumi atsiranda mieloidinių pokyčių. Proc. Natl Akad. Sci. USA 108, 20012 (2011).

54. López-Otín, C., Blasco, MA, Partridge, L., Serrano, M. & Kroemer, G. Senėjimo požymiai. Cell 153, 1194 (2013).

55. Partridge, L., Fuentealba, M. & Kennedy, BK. Siekis sulėtinti senėjimą per narkotikų atradimą. Nat. Drug Discov. 19, 513–532 (2020).

56. Wang, Y. ir kt. Chemoterapijos nepageidaujamų reakcijų ir mirštamumo prognozavimas vyresnio amžiaus pacientams, sergantiems pirminiu plaučių vėžiu, remiantis silpnumo indeksu, remiantis įprastiniais laboratoriniais duomenimis. Clin. Interv. Senėjimas 14, 1187 (2019).

57. Kane, AE, Keller, KM, Heinze-Milne, S., Grandy, SA & Howlett, SE Pelių silpnumo indeksas, pagrįstas klinikiniais ir laboratoriniais matavimais: ryšiai tarp silpnumo ir uždegimą skatinančių citokinų skiriasi priklausomai nuo lyties. . J. Gerontol. Ser. A 74, 275 (2019).

58. Sacher, G. & Trucco, E. Stochastinė mirtingumo teorija. Ann. NY Akad. Sci. 96, 985 (1962).

59. Yashin, AI, Manton, KG & Vaupel, JW Mirtingumas ir senėjimas heterogeninėje populiacijoje: stochastinis proceso modelis su stebimais ir nepastebimais kintamaisiais. Theor. Populiarus. Biol. 27, 154 (1985).

60. Vaupel, JW ir kt. Biodemografinės ilgaamžiškumo trajektorijos. Science, 280, 855 (1998).

61. Pyrkov, TV, Sokolov, IS & Fedichev, PO Gilus išilginis nešiojamo jutiklio duomenų fenotipas atskleidžia nepriklausomus ilgaamžiškumo, streso ir atsparumo žymenis. Senėjimas 13, 7900 (2021).

62. Tarkhov, AE, Denisov, KA, & Fedichev, PO Senstantys laikrodžiai, entropija ir amžiaus keitimo ribos. bioRxiv (McGraw-Hill, 2022).

63. Pedregosa, F. ir kt. Scikit-learn: mašininis mokymasis naudojant {P}ython. J. Mach. Mokytis. Res. 12, 2825 (2011).

64. Peterset, LL al. Didelio masto, didelio našumo pelių krešėjimo ir hematologinių fenotipų patikra. Physiol. Genomics.11, 185–193 (2002).

65. Davidson-Pilon, C. Lifelines.

66. Hinton, GE & Salakhutdinov, RR Duomenų matmenų mažinimas naudojant neuroninius tinklus. Mokslas 313, 504 (2006).

67. He, K., Zhang, X., Ren, S. & Sun, J. Deep residual learning for image discovery. 2016 m. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2016 m., p. 770–778 (IEEE Computer Society, 2016).

68. Kingma, DP & Ba, JL Adam: stochastinio optimizavimo metodas.

69. Abadi, M. TensorFlow: didelio masto mašininis mokymasis heterogeninėse sistemose.

70. Steel, RGD & Torrie, JH Statistikos principai ir procedūros: ypač atsižvelgiant į biologijos mokslus. (McGraw Hill, 1960). 71. Avchaciov, K. AI už neprižiūrimą senėjimo principų mokymąsi iš išilginių duomenų.

Padėkos

Dėkojame Normanui Sharplessui už dosniai parūpintą p16-Luc reporter pelių. Šis darbas buvo iš dalies paremtas Nacionalinio vėžio instituto (NCI) dotacijos P30 CA016056, skirtos Roswell Park Comprehensive Cancer Center Laboratory Animal and Translational Imaging Shared Resources (MPA ir AVG) naudojimui, ir sutartimi su Genome Protection, Inc. (MPA ir AVG). Autoriai dėkingi M. Kholin iš Gero už naudingus komentarus ir diskusijas.

Autoriaus indėlis

MPA ir PAV sukūrė ir atliko eksperimentus, analizavo ir interpretavo duomenis bei peržiūrėjo rankraštį. KA ir AET atliko skaičiavimus ir duomenų analizę bei parašė rankraštį. OG, LIM, AVG ir POF aptarė rezultatus ir parašė bei peržiūrėjo rankraštį.

Konkuruojantys interesai

POF yra „Gero PTE“ akcininkas. LTD. AVG yra „Gero PTE“ narys. LTD. Patariamoji taryba. KA, AET, LIM, OB ir POF yra Gero PTE darbuotojai. LTD. AVG yra Genome Protection įkūrėjas ir akcininkas. PAV yra Genome Protection darbuotojas. MPA neturi konkuruojančių interesų. Tyrimą finansavo Gero PTE. LTD.

Papildoma informacija

Papildoma informacijaInternetinėje versijoje yra papildomos medžiagos.

Susirašinėjimas ir prašymaidėl medžiagų reikėtų kreiptis į Petrą O. Fedičevą.

Tarpusavio peržiūros informacija„Nature Communications“ dėkoja Konstantinui Arbejevui, Arnoldui Mitnitskiui ir anoniminiams recenzentams už jų indėlį į šio darbo tarpusavio peržiūrą.

Leidėjo pastabaSpringer Nature išlieka neutralus dėl jurisdikcijos pretenzijų paskelbtuose žemėlapiuose ir institucinių ryšių.

Atvira prieigaŠis straipsnis yra licencijuotas pagal Creative Commons Attribution 4.0 Tarptautinė licencija, leidžianti naudoti, bendrinti, pritaikyti, platinti ir atkurti bet kokia laikmena ar formatu, jei tinkamai nurodote originalų autorių (-ius). ) ir šaltinį, pateikite nuorodą į Creative Commons licenciją ir nurodykite, ar buvo atlikti pakeitimai. Šiame straipsnyje esantys vaizdai ar kita trečiųjų šalių medžiaga yra įtraukta į straipsnio Creative Commons licenciją, nebent medžiagos kredito limite nurodyta kitaip. Jei medžiaga neįtraukta į straipsnio Creative Commons licenciją ir jūsų numatytas naudojimas neleidžiamas įstatymų nustatyta tvarka arba viršija leistiną naudojimą, turėsite gauti leidimą tiesiogiai iš autorių teisių turėtojo.

Daugiau informacijos: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501