發(fā)布日期：2016-07-28
如今，人類基因組計(jì)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(jì)劃所發(fā)現(xiàn)的基因；計(jì)算機(jī)模型技術(shù)，其將多個(gè)生物學(xué)尺度和臨床數(shù)據(jù)摻入到新的計(jì)算機(jī)算法中，這或許就為我們提供了一種方法來(lái)提出一些可以進(jìn)行測(cè)試的研究假設(shè)。在過(guò)去10年里，越來(lái)越多的生物學(xué)家和臨床研究者都開(kāi)始狂熱地追求計(jì)算機(jī)建模研究，這無(wú)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(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬多種生物復(fù)雜性問(wèn)題）
10年前，生物學(xué)家可能會(huì)將數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)建模師來(lái)進(jìn)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(lái)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(fèi)了超過(guò)15年時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)并且應(yīng)用一種開(kāi)發(fā)資源型的模型平臺(tái)，這種平臺(tái)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(lái)構(gòu)建自己的模型系統(tǒng)。
在最近的一項(xiàng)研究中，研究者就利用CompuCell3D平臺(tái)研究了多囊腎病的病因?qū)W機(jī)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(gè)主要角色，其可以幫助細(xì)胞團(tuán)結(jié)一致并且向其它細(xì)胞發(fā)送信號(hào)使其在空白空間中生長(zhǎng)，但研究者并不清楚粘附分子在疾病發(fā)病過(guò)程中的作用。
研究者表示，模擬過(guò)程需要花費(fèi)術(shù)后，但其卻可以幫助揭示疾病發(fā)生所涉及的機(jī)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(shí)研究者還可以在病人的腎臟細(xì)胞中證實(shí)這些預(yù)測(cè)。
利用其它程序需要寫入4萬(wàn)行代碼才能夠模擬腎臟，但利用CompuCell3D平臺(tái)僅需要寫入100行代碼就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腎臟的模擬，后期研究者Glazier將會(huì)繼續(xù)“精煉”腎臟模型，由于這種新型平臺(tái)具有開(kāi)放性，因此其可以作為一種模板來(lái)為更多模型研究服務(wù)；據(jù)Robert Bacallao介紹，對(duì)小鼠進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)得出相同的結(jié)論將需要花費(fèi)10-20年時(shí)間。
目前研究者Glazier已經(jīng)組成了一個(gè)建模師團(tuán)隊(duì)來(lái)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(wèn)題時(shí)，慢慢就會(huì)形成一種特殊的“工作流”，而且研究者堅(jiān)信他們將會(huì)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，并且使得CompuCell3D平臺(tái)被更加廣泛友好地使用。
Kristin Swanson：針對(duì)病人特異性的模型
如何確定癌癥患者正在進(jìn)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(huì)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(wèn)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(lái)自華盛頓大學(xué)的研究者Kristin Swanson分析討論了單個(gè)患者的病情以及療法的選擇，同時(shí)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(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進(jìn)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(gè)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(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進(jìn)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(lái)幫助理解病人不接受療法和接受標(biāo)準(zhǔn)療法時(shí)其機(jī)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(lái)幫助測(cè)量患者對(duì)療法改變的響應(yīng)。
當(dāng)探索新型療法時(shí)，研究者就需要知道應(yīng)當(dāng)利用什么工具來(lái)幫助進(jìn)行開(kāi)發(fā)；最近研究者利用虛擬控制方法對(duì)接受膠質(zhì)母細(xì)胞瘤新型實(shí)驗(yàn)性療法的4名患者進(jìn)行研究，結(jié)果在患者機(jī)體中發(fā)現(xiàn)了患者產(chǎn)生反應(yīng)的早期信號(hào)，而利用標(biāo)準(zhǔn)的工具卻并不會(huì)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
在一項(xiàng)對(duì)大約250名膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的研究中，研究者Swanson的團(tuán)隊(duì)利用特殊的模型方法，基于患者機(jī)體腫瘤的邊緣彌散狀況對(duì)患者進(jìn)行分類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)體腫瘤邊緣最彌散的患者最不適合進(jìn)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(huì)花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間來(lái)將患者同合適的療法進(jìn)行匹配，很多年來(lái)，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(lái)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(jiàn)了來(lái)自美國(guó)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(ài)好，于是他們就開(kāi)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(lái)自南加州大學(xué)的研究者M(jìn)acklin及其同事開(kāi)始模擬原位導(dǎo)管癌的天然發(fā)生過(guò)程，首先他們?cè)谌橄賹?dǎo)管中構(gòu)建出了單個(gè)DCIS細(xì)胞的二維模型，研究者表示，通常單個(gè)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(cè)原位導(dǎo)管癌的進(jìn)展，研究者也加入了細(xì)胞循環(huán)的時(shí)間及細(xì)胞的壽命等參數(shù)來(lái)進(jìn)行更加深入的研究分析。
通過(guò)進(jìn)行特殊模擬，研究者發(fā)現(xiàn)，原位導(dǎo)管癌實(shí)際上生長(zhǎng)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(duì)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(guò)有規(guī)律地“咀嚼”乳腺導(dǎo)管壁來(lái)慢慢滲透到導(dǎo)管壁細(xì)胞中。
研究者M(jìn)acklin說(shuō)道，有些事情發(fā)生，要么改變細(xì)胞的表型，要么改變整個(gè)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(jī)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(gè)系統(tǒng)。今年研究者M(jìn)acklin已經(jīng)發(fā)布了可以模擬10-15個(gè)原位導(dǎo)管癌微環(huán)境發(fā)散信號(hào)的新代碼，下一步他們計(jì)劃發(fā)布更多的代碼。
盡管Macklin開(kāi)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(jìn)行非常好的配對(duì)，當(dāng)然這對(duì)于后期利用模型深入研究癌癥的發(fā)病機(jī)制，并且開(kāi)發(fā)新型療法將非常重要。
來(lái)源：生物谷
