תוכנית מחשב חדשה מחקה התנהגות תאים לתגליות רפואיות מהירות יותר

בעזרת ניתוח מתמטי של דפוסי התנהגות תאי אנוש ובעלי חיים, מדענים אומרים כי פיתחו תוכנית מחשב המחקה את התנהגותם של תאים כאלה בכל חלק בגוף. בראשות החוקרים באוניברסיטת אינדיאנה, ג'ונס הופקינס רפואה, בית הספר לרפואה באוניברסיטת מרילנד ואוניברסיטת בריאות ומדע אורגון, העבודה החדשה נועדה לקדם דרכים לבדיקת ולחיזוי תהליכים ביולוגיים, תגובות תרופות ודינמיקת תאים אחרת לפני שביצעו ניסויים יקרים יותר עם תאים חיים.

עם עבודה נוספת על התוכנית, החוקרים אומרים כי היא עשויה בסופו של דבר לשמש "תאום דיגיטלי" לבדיקת השפעת כל תרופה על סרטן או מצבים אחרים, אינטראקציות בסביבת הגנים במהלך התפתחות המוח, או כל מספר של תהליכים מולקולריים סלולריים דינאמיים אצל אנשים שבהם לא ניתן למחקרים כאלה.

ממומן בעיקר על ידי קרן ג'יין קוסקינאס טד ג'ובאניס והמכונים הלאומיים לבריאות, ומינוף ידע ונתונים קודמים הממומנים על ידי קרן לוסטגרטן והקרן הלאומית לחקר סרטן, המחקר החדש והדוגמאות להדמיות תאים מתוארות באינטרנט ב- 25 ביולי בכתב העת Journal תָאו

לדברי ג'נבייב שטיין-או'בריין, דוקטורט, משפחת טרקוביץ 'העולה פרופסור למדעי המוח והנוירולוגיה בבית הספר לרפואה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, פרויקט המחקר החל בסדנה לגרסה קודמת של תוכנת מחשב, בשם Physicell, שתוכנן על ידי פרופסור להנדסה של אוניברסיטת אינדיאנה, פול מקלין, Ph..

Physicell מבוסס על מה שנקרא סוכנים, "בעיקרו, רובוטים במתמטיקה הפועלים על (קבוצה של) כללים המשקפים את ה- DNA ו- RNA של התאים", אומר שטיין-או'בריין. כל סוג של תא בגוף ממופה לסוכן ואז מתמרן באופן דיגיטלי לעשות דברים, כגון אינטראקציה עם תאים אחרים וגורמים סביבתיים כמו טיפולים, חמצן ומולקולות אחרות בתהליך של רקמות, איברים ולעיתים, סרטן.

על ידי מעקב אחר תאים בעקבות הכללים שהוקצו להם, מדענים יכולים למעשה לראות דברים ככאלה כיצד גידולים מופיעים ומתקיימים אינטראקציה עם טיפולים ומערכת החיסון. הם יכולים לעקוב אחר תאים שיוצרים שכבות של קליפת המוח, ולראות כיצד תאי מוח מתארגנים כדי להניח את הבסיס שהם יצטרכו ליצור מעגלים. המעבדה של שטיין-או'בריין בשיתוף עם הסופר הראשון, דניאל ברגמן, דוקטורט, עוזר פרופסור במכון למדעי הגנום של אוניברסיטת מרילנד למדעי הגנום, מוביל את פיתוח התוכנה המשך כל הדרך מתאים למעגלים במוח.

מקלין אומר שתוכניות דוגמנות מחשב טיפוסיות קיימות אך בדרך כלל דורשות ידע מתוחכם במודלים במתמטיקה וקידוד מחשב לשימוש ולפרשנות. תוכנת Physicell החדשה, לדבריו, ניסחה "דקדוק" חדש שהופך את מודל המחשב מבוסס הסוכן לנגיש יותר למדענים שיודעים הרבה על הביולוגיה אך אינם בקיאים בתכנות.

"זה היה לוקח חודשים לכתוב את הקוד למודלים אלה, ועכשיו אנו יכולים ללמד מדענים אחרים ליצור מודל אימונולוגיה בסיסי תוך שעה -שעתיים", אומר מקלין. "אנו יכולים גם להשתמש בתוכנית זו כדי לדגמן טרנסקריפטומיקה מרחבית, מטרה ותיקה עבור מדענים, כדי לדמיין היכן ניתן למצוא כל סוג תא וכיצד הם מתפקדים בשכפול תלת מימד של רקמות וגידולים."

שטיין-או'בריין מתאר את הדקדוק החדש לקידוד כ"משתת כמשמעו, גיליון אלקטרוני של Excel שבכל שורה תואם סוג תאים עם כלל בתחביר הקריא האנושי. לדוגמא: תא זה מגדיל את החלוקה ככל שריכוז החמצן גדל. "

לאחר מכן, התוכנית מתרגמת אוטומטית את הדקדוק הביולוגי מהגיליון האלקטרוני למשוואות מתמטיקה המייצרות מדריך להתנהגות תאים. התוכנית יכולה גם לכוונן את המודל כך שיתאים לנתונים מבוססים ממחקרים של התמלול, תפוקת החומר הגנטי.

מחבר המחקר דייוויד ג'ואו, סטודנט לתואר ראשון באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, עבד אז עם שטיין-או'בריין כדי לספק רבות מהתנהגויות התאים הכלולות בתוכנית החדשה. הוא וזכרי ניקולס, תואר דוקטור גנטיקה אנושית של ג'ונס הופקינס. המועמדות ו- NIH/NINDS D-Span Scholar, בנו את המודל של התפתחות המוח המאומנת להיות הראשונה מנתוני השימוש בסוגו מאטלס המוח של אלן.

זה הופעל על ידי התקדמות חדשה בתוכנה המשתמשת בנתונים שנפתרו במרחב כדי לחבר תמונות של התנהגות תאים לבניית סרט שמראה אינטראקציות בין תאים ורקמות לאורך זמן.

זה חשוב מאוד למחלות אנושיות. אנו רוצים לבדוק שינויים בכללי התא, דפוסים ונתיבים כדי לראות כיצד תאים משנים את התנהגותם. "

ז'נבייב שטיין-או'בריין, דוקטורט, משפחת טרקוביץ 'עולה פרופסור למדעי המוח ונוירולוגיה בבית הספר לרפואה באוניברסיטת ג'ונס הופקינס

המודלים שכללו התנהגות תאי סרטן התבססו בתחילה על נתונים מאוסף גדול של גידולים בלבלב אנושי בג'ונס הופקינס, ועל ניסויים במעבדה בעכברים, אומרת אלנה פרטיג, דוקטורט, פרופסור ומנהלת המכון למדעי הגנום בבית הספר לרפואה באוניברסיטת מרילנד. פרטיג בינה יחד את הפרויקט, החל בתפקידה הקודם במרכז הסרטן של ג'ונס הופקינס קימל והמשיך בתפקידה הנוכחי.

בניסוי אחד שנועד לאמת את התוכנית החדשה, סופרת ראשונה, ג'נט ג'ונסון, דוקטורט, עמית פוסט-דוקטורט במכון למדעי הגנום ובוגר התואר השני של האימונולוגיה. התוכנית בג'ונס הופקינס, ניהלה את המודל כדי לדמות כיצד פלש מקרופאגים, סוג של תאים חיסוניים, גידולי שד על ידי הגברת הביטוי של מסלול גנטי הנקרא EGFR. הגדלת מסלול זה מקדמת בדרך כלל את צמיחת הסרטן. הסימולציה הראתה כי גידולים גדלו מכיוון שתאי סרטן הגבירו את יכולתם לנוע.

עם תאי סרטן שד חיים שגדלו במעבדה, החוקרים צפו באותו סוג של צמיחת גידול הקשורה לעלייה בתנועת התאים.

"עדיין יש לנו הרבה עבודה כדי להוסיף עוד נתוני התנהגות תאים לתוכנית", אומר ג'ונסון, שממשיך בעבודה זו כעמית פוסט -דוקטורט עם פרטיג בבית הספר לרפואה באוניברסיטת מרילנד.

"אנו חושבים על הפרויקט הזה מבחינת מעבדת תאים וירטואלית", אומר שטיין-או'בריין. במקום לבצע את כל הניסויים מלכתחילה בספסל המעבדה עם תאים חיים, המטרה היא להשתמש בכלים אלה, שבסופו של דבר יכולים לעבוד כ"תאום דיגיטלי ", כדי לתעדף השערות ומטרות טיפוליות. "ואז," היא אומרת, "אנחנו יכולים למקד את עבודת הספסל שלנו על מה שנראה הכי מבטיח."

בעבודה שוטפת, הצוות משתמש בינה מלאכותית בכדי לכתוב מודלים של סימולציה באמצעות הדקדוק החדש, ופותח אפשרויות חדשות לחיבור מודלים לנתונים חדשים ולאפשר למחקר רפואי לשפר את מודלים התאומים הדיגיטליים.

המימון סופק על ידי קרן ג'יין קוסקינאס טד ג'ובאניס לבריאות ומדיניות, מכוני הבריאות הלאומיים (P01CA247886, K08CA248624, U24CA284156, 1U01CA294548-01, P50CA0624, U01CA294548-01, P50CA0622, U54CA274371, U01CA212007, U54CA268083, R00NS122085, U01CA284090, T32GM148383, T32CA153952, T32 AG0585527, T32589, R3589, R3599, R3589, R3589, G3588, G2588, GM1588, U01CA232137, R01CA169702, R01CA197296, P30CA006973, P30 CA069533, T32GM141938-03, CA054174, F99NS139555, PISTGER, CA054174, F99NS139555, P30CA), The LUCKGGER, The LUCKGGER, The LUCKGGER), The LUCKGGER), FOMGGER). קרן קוני, הקרן הלאומית לחקר סרטן, הקרן הלאומית למדע, קרן המחקר הביו-רפואית של ליידוס, מענק המחקר של מרילנד סרטן Moonshot, מלגת פקולטה לוד, קרן סוזן ג'י קומן, קרן מחקרי הסרטן של סרטן, קרן מחקרי סרטן, קרן מחקרי סרטן, קרן מחקרי סרטן, Fund ו- Lilly Endowment, Inc. באמצעות תמיכתה במכון הטכנולוגי החודר באוניברסיטת אינדיאנה.

בנוסף לסטיין-או'בריין, מקלין, ג'ואו, ניקולס, ג'ונסון ופרטיג, סופרים כוללים את דניאל ברגמן, הבר רושה, אריק קרמר, איאן מקלין, יוסף ריקוד, מקס בות ', טמרה לופז-וידל, אטול דה-פשפנדה, רנדי הואילנד, פוטו-שיט, שומטאוט, שומטויאנט, פוטו-שיט, פוטו-שיט, שוטו-שיט, שוטו-שיט, שומטויאנטה, שומץ', שומץ '. אנדרה פורג'אז, מייקל גץ, אינס גודט, פורקן קורטוגלו, מליסה לימן, ג'ון מצקר, ג'ייקוב מיטשל, אנדרו רדדץ, ג'ייקובו סולורזאנו, אנייה סאנדוס, יאפי, אכן, דוד דנארדו, אנדרו אוואלד, דניאל קיאס, לוסיאן, אכן, אכן, דנרדו, אנרו אוואלד, דניאל קיאג ', אכן, Ashie, Ashien, Ashie, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, Ashee, תומפסון, דניס וירץ, לורה ווד, פיי-הסון וו, ניחה זיידי, ליי ז'נג, ז'קלין צימרמן, ג'וד פיליפ, אליזבת יפי, ג'ו גריי, ליסה קוסנס, הוואן צ'אנג הצעירה ולורה מ. הייזר.