באותה צורה כמו מודלים של תחזית מזג אוויר המנבאים סערות מתפתחות, החוקרים פיתחו כעת שיטה לחיזוי פעילות התא ברקמות לאורך זמן. התוכנה החדשה משלבת טכנולוגיות גנומיקה עם דוגמנות חישובית כדי לחזות שינויים בתאים בהתנהגות, כמו תקשורת בין תאים העלולים לגרום לפרוח תאי סרטן.
חוקרים במכון לרפואה של אוניברסיטת מרילנד (UMSOM) למדעי הגנום (IGS) הובילו יחד את המחקר שפורסם באופן מקוון ב- 25 ביולי בכתב העת תָא. זה תוצאה של פרויקט רב-שנתוני רב-מעובד בממשק של פיתוח תוכנה עם שיתופי פעולה חשובים בין ספסל לחוקרי מדעי הצוות הקליניים. מחקר זה יכול בסופו של דבר להוביל לתוכנות מחשב שיכולות לעזור לקבוע את הטיפול הטוב ביותר בחולי סרטן על ידי יצירת "תאום דיגיטלי" של המטופל.
אף על פי שמחקר ביו-רפואי סטנדרטי עשה צעדים שלא ניתן להבחין בהם באפיון מערכות אקולוגיות סלולריות עם טכנולוגיות גנומיקה, התוצאה היא עדיין תמונת מצב אחת בזמן מאשר להראות כיצד מחלות, כמו סרטן, יכולה לנבוע מתקשורת בין התאים. סרטן נשלט או מופעל על ידי מערכת החיסון, המותאמת אישית; מורכבות זו מקשה על תחזיות מנתוני סרטן אנושי לחולה ספציפי. "
ז'נט ג'ונסון, דוקטורט, עמית פוסט-דוק במכון למדעי הגנום (IGS) ב- UMSOM ובמחבר המחקר הראשון של המחקר.
מה שמייחד את המחקר הזה הוא השימוש ב"דקדוק השערה "בשפה פשוטה המשתמשת בשפה משותפת כגשר בין מערכות ביולוגיות ומודלים חישוביים ומדמה כיצד התאים פועלים ברקמות.
פול מקלין, דוקטורט, פרופסור להנדסת מערכות מודיעין באוניברסיטת אינדיאנה הוביל צוות חוקרים שפיתח את הדקדוק לתיאור התנהגות התא. דקדוק זה מאפשר למדענים להשתמש במשפטים פשוטים בשפה האנגלית כדי לבנות ייצוגים דיגיטליים של מערכות ביולוגיות רב -תאיות ולאפשר לצוות לפתח מודלים חישוביים למחלות מורכבות כמו סרטן.
דניאל ברגמן, מדען ב- IGS ועוזר פרופסור לפארמקולוגיה ופיזיולוגיה באומסום, כי "ככל ש"דקדוק" חדש זה מאפשר תקשורת בין ביולוגיה לקוד, זה גם מאפשר תקשורת בין מדענים מתחומים שונים למנף פרדיגמת דוגמנות זו במחקר שלהם ".
ד"ר ברגמן ועמיתיו ב- IGS שילבו אז את הדקדוק הזה עם נתונים גנומיים מדגימות חולים אמיתיות לחקר סרטן השד והלבלב, עם טכנולוגיות כמו טרנסקריפטומיקה מרחבית.
בסרטן השד, צוות IGS עיצב השפעה בה מערכת החיסון אינה יכולה לצמצם את צמיחת תאי הגידול ובמקום זאת מקדמת פלישה והתפשטות סרטן. הם התאמתו מסגרת דוגמנות חישובית זו כדי לדמות ניסוי קליני אימונותרפי בעולם האמיתי של סרטן הלבלב.
באמצעות נתוני גנומיקה מדגימות רקמות לא מטופלות של סרטן הלבלב, המודל ניבא כי לכל "מטופל וירטואלי" הייתה תגובה שונה לטיפול אימונותרפיה בהצגת החשיבות של מערכות אקולוגיות סלולריות לאונקולוגיה מדויקת. לדוגמה, סרטן הלבלב הוא סרטן קשה לטיפול, בחלקו, מכיוון שהוא מוקף לעתים קרובות במבנה צפוף של תאים שאינם סרטניים הנקראים פיברובלסטים. הצוות השתמש בטכנולוגיית גנומיקה מרחבית חדשה כדי להדגים עוד יותר את הדרכים שפיברובלסטים מתקשרים עם תאי גידול. התוכנית אפשרה למדענים לעקוב אחר צמיחתם והתקדמותם של גידולים בלבלב לפלישה מרקמת חולה אמיתית.
ד"ר ג'ונסון אמר כי "מה שהופך את המודלים האלה למרגשים אותי כל כך מרגשים כמו מישהו שלומד אימונולוגיה הוא שניתן ליידע אותם, לאתחל ולבנות אותו על ידי שימוש בנתוני גנומיקה של מעבדה וגם אנושיים. "תאים חיסוניים מדהימים ועוקבים אחר כללי התנהגות שניתן לתכנתם לאחד מהמודלים הללו. כך, למשל, אנו יכולים לקחת נתונים ולהתייחס אליהם כאל תמונת מצב של מה שמערכת החיסון האנושית עושה, ומסגרת זו נותנת לנו ארגז חול לחקור בחופשיות את ההשערות שלנו לגבי מה שקורה שם לאורך זמן או סיכון של מטופלים."
"מאז המעבר שלי מההכשרה שלי בחיזוי מזג האוויר באוניברסיטת מרילנד, מכללת פארק לחישוב, האמנתי שנוכל ליישם את אותם עקרונות כדי לעבוד על פני מערכות ביולוגיות ליצירת מודלים חזויים בסרטן. אני נפגעת מכמה כללי ביולוגיה של ביולוגיה, אמרו לאלנה ג '. UMSOM וסופר מוביל במחקר. "התאמת גישה זו לטכנולוגיות Genomics מעניקה לנו מעבדה תאים וירטואלית בה אנו יכולים לבצע ניסויים לבדיקת ההשלכות של כללי הסלולר לחלוטין בסיליקו"
ד"ר פרטיג מכנה את המחקר "שטיח של מדעי הצוות" עם אימות נוסף של המודלים החישוביים המגיעים ממשתפי פעולה קליניים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס ואוניברסיטת מדעי הבריאות באורגון. הקרן הלאומית למחקר סרטן מימנה את הפרויקט.
הדקדוק החדש הוא קוד פתוח כך שכל המדענים יוכלו ליהנות ממנו. ד"ר ברגמן אמר ד"ר ברגמן, אמר ד"ר ברגמן, "על ידי הנחת כלי זה לקהילה המדעית, אנו מספקים דרך קדימה לתקן מודלים כאלה ולהפוך אותם למקובלים בדרך כלל. כדי להדגים את ההכללה הזו, ז'נבייב שטיין-או'בריין, דוקטורט, פרופסור משפחת טרקוביץ 'העולה למדעי המוח והנוירולוגיה בבית הספר לרפואה של ג'ונס הופקינס (JHSOM) הוביל את החוקרים בשימוש בגישה זו בדוגמה למדעי המוח בה התוכנית הדמיה את יצירת השכבות כאשר המוח מפתח.
"עם עבודה זו של IGS, יש לנו מסגרת חדשה למחקר ביולוגי מכיוון שחוקרים יכולים כעת ליצור הדמיות ממוחשבות של ניסויי הספסל והניסויים הקליניים שלהם ואף מתחילים לחזות את השפעות הטיפולים על חולים," אמר מארק ט. גלדווין, ד"ר, סגן נשיא פרופסור לרפואה באוניברסיטת מרילנד, בולטימור, ובאומס ז. "יש לזה יישומים חשובים המאפשרים תאומים דיגיטליים ומחקרים קליניים וירטואליים בסרטן ומחוצה לה. אנו מצפים לעבודה עתידית שמאריך את הדוגמנות החישובית הזו של סרטן למרפאה."
