發(fā)布日期：2016-07-28
如今，人類基因組計劃為研究者提供的“零件清單”已經(jīng)成為大家所熟悉的概念了，而科學(xué)家們感興趣的遠(yuǎn)不止的基因組計劃所發(fā)現(xiàn)的基因；計算機模型技術(shù)，其將多個生物學(xué)尺度和臨床數(shù)據(jù)摻入到新的計算機算法中，這或許就為我們提供了一種方法來提出一些可以進行測試的研究假設(shè)。在過去10年里，越來越多的生物學(xué)家和臨床研究者都開始狂熱地追求計算機建模研究，這無疑就可以幫助研究人員在生物學(xué)數(shù)據(jù)的海洋里不斷遨游。
James Glazier： CompuCell3D（一種三維的C++軟件環(huán)境，其可以整合多個數(shù)學(xué)模型來模擬多種生物復(fù)雜性問題）
10年前，生物學(xué)家可能會將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)建模師來進行分析，從而給出理論上的解釋以闡明結(jié)果是否可以回歸至臨床情況；如今來自印地安那大學(xué)伯明頓分校的研究者James Glazier和其同事花費了超過15年時間來開發(fā)并且應(yīng)用一種開發(fā)資源型的模型平臺，這種平臺名為CompuCell3D，其可以幫助生物學(xué)家們利用分子、細(xì)胞及組織水平上的數(shù)據(jù)來構(gòu)建自己的模型系統(tǒng)。
在最近的一項研究中，研究者就利用CompuCell3D平臺研究了多囊腎病的病因?qū)W機制，研究人員Robert Bacallao指出，相比正常腎臟組織而言，患病腎臟組織的細(xì)胞粘附分子往往表現(xiàn)不同，這些粘附分子扮演著兩個主要角色，其可以幫助細(xì)胞團結(jié)一致并且向其它細(xì)胞發(fā)送信號使其在空白空間中生長，但研究者并不清楚粘附分子在疾病發(fā)病過程中的作用。
研究者表示，模擬過程需要花費術(shù)后，但其卻可以幫助揭示疾病發(fā)生所涉及的機制，并且闡明到底是哪種缺陷引發(fā)了腎臟囊腫行為和形狀的差異，同時研究者還可以在病人的腎臟細(xì)胞中證實這些預(yù)測。
利用其它程序需要寫入4萬行代碼才能夠模擬腎臟，但利用CompuCell3D平臺僅需要寫入100行代碼就可以實現(xiàn)對腎臟的模擬，后期研究者Glazier將會繼續(xù)“精煉”腎臟模型，由于這種新型平臺具有開放性，因此其可以作為一種模板來為更多模型研究服務(wù)；據(jù)Robert Bacallao介紹，對小鼠進行必要的實驗得出相同的結(jié)論將需要花費10-20年時間。
目前研究者Glazier已經(jīng)組成了一個建模師團隊來同臨床醫(yī)生們合作，他表示，當(dāng)我們經(jīng)常解決諸如眼睛、腎臟或肝臟等組織的問題時，慢慢就會形成一種特殊的“工作流”，而且研究者堅信他們將會對整個過程進行標(biāo)準(zhǔn)化操作，并且使得CompuCell3D平臺被更加廣泛友好地使用。
Kristin Swanson：針對病人特異性的模型
如何確定癌癥患者正在進行的特殊療法效果如何呢？癌癥患者是否需要接受另外一種療法？臨床醫(yī)生會將每一位患者的反應(yīng)同臨床研究中所有患者的平均反應(yīng)數(shù)據(jù)相比較，但問題就是，研究者們并不知道任意一位患者在曲線上的位置。
作為上世紀(jì)90年代畢業(yè)的一位數(shù)學(xué)生物學(xué)畢業(yè)生，來自華盛頓大學(xué)的研究者Kristin Swanson分析討論了單個患者的病情以及療法的選擇，同時她還沉浸在患者的臨床決策研究中，在Swanson提供醫(yī)療服務(wù)期間，她對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進行了深入的學(xué)習(xí)，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是一種平均生存期僅有15個月的致死性腦瘤。
Swanson的父親死于肺癌的腦部轉(zhuǎn)移，部分由于該原因使得她決定對膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進行研究，研究者Swanson及其同事將一系列成像數(shù)據(jù)加入到一種“虛擬控制器”中，來幫助理解病人不接受療法和接受標(biāo)準(zhǔn)療法時其機體腫瘤的反應(yīng)，這種虛擬控制可以給予臨床醫(yī)生們一種更好的基準(zhǔn)線來幫助測量患者對療法改變的響應(yīng)。
當(dāng)探索新型療法時，研究者就需要知道應(yīng)當(dāng)利用什么工具來幫助進行開發(fā)；最近研究者利用虛擬控制方法對接受膠質(zhì)母細(xì)胞瘤新型實驗性療法的4名患者進行研究，結(jié)果在患者機體中發(fā)現(xiàn)了患者產(chǎn)生反應(yīng)的早期信號，而利用標(biāo)準(zhǔn)的工具卻并不會對這些信號進行檢測。
在一項對大約250名膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的研究中，研究者Swanson的團隊利用特殊的模型方法，基于患者機體腫瘤的邊緣彌散狀況對患者進行分類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機體腫瘤邊緣最彌散的患者最不適合進行手術(shù)治療，而應(yīng)該采取正常的一線治療。在癌癥研究領(lǐng)域中，研究者并不會花費太長時間來將患者同合適的療法進行匹配，很多年來，研究者Swanson一直都是腫瘤研究領(lǐng)域的數(shù)學(xué)家，但隨著數(shù)學(xué)腫瘤學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，越來越多的定量科學(xué)家們也加入到了臨床決策的研究當(dāng)中。
Paul Macklin：原位導(dǎo)管癌
自2007年從德克薩斯洲健康科學(xué)中心博士后出站，研究者Paul Macklin都非?？释麑⒛Ｐ脱芯坑糜谂R床應(yīng)用中，他和同事遇見了來自美國安德森癌癥中心（MD Anderson Cancer Center ）的乳腺病理學(xué)家Mary Edgerton，Mary Edgerton和Paul Macklin有著相同的興趣愛好，于是他們就開始合作研究原位導(dǎo)管癌，原位導(dǎo)管癌（DCIS）是乳腺癌的前體形式，原位導(dǎo)管癌存在于乳腺的輸乳管中，但這些癌細(xì)胞容易入侵到周圍的乳腺組織中。
來自南加州大學(xué)的研究者Macklin及其同事開始模擬原位導(dǎo)管癌的天然發(fā)生過程，首先他們在乳腺導(dǎo)管中構(gòu)建出了單個DCIS細(xì)胞的二維模型，研究者表示，通常單個活組織檢查就可以提供一些重要的線索，從而使他們理解細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡的平衡關(guān)系，為了預(yù)測原位導(dǎo)管癌的進展，研究者也加入了細(xì)胞循環(huán)的時間及細(xì)胞的壽命等參數(shù)來進行更加深入的研究分析。
通過進行特殊模擬，研究者發(fā)現(xiàn)，原位導(dǎo)管癌實際上生長地非常緩慢且穩(wěn)定，這或許就可以折射出臨床中研究者的觀察結(jié)果，并且?guī)椭芯空呃^續(xù)追蹤研究，隨后Macklin及同事構(gòu)建出了一種針對乳腺導(dǎo)管壁的更為復(fù)雜且可塑性良好的模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原位導(dǎo)管癌細(xì)胞可以通過有規(guī)律地“咀嚼”乳腺導(dǎo)管壁來慢慢滲透到導(dǎo)管壁細(xì)胞中。
研究者Macklin說道，有些事情發(fā)生，要么改變細(xì)胞的表型，要么改變整個系統(tǒng)中細(xì)胞間的交流溝通；新型模型的建立將為我們清晰地揭示不同細(xì)胞類型溝通的機制，如今我們并不僅僅可以模擬腫瘤細(xì)胞，我們還可以模擬整個系統(tǒng)。今年研究者Macklin已經(jīng)發(fā)布了可以模擬10-15個原位導(dǎo)管癌微環(huán)境發(fā)散信號的新代碼，下一步他們計劃發(fā)布更多的代碼。
盡管Macklin開發(fā)的模型較為復(fù)雜，但他非常驚訝早期的模型可以和臨床數(shù)據(jù)進行非常好的配對，當(dāng)然這對于后期利用模型深入研究癌癥的發(fā)病機制，并且開發(fā)新型療法將非常重要。
來源：生物谷
