La fel cum meteorologii folosesc modele computerizate pentru a prezice formarea furtunilor, cercetătorii au dezvoltat acum un software capabil să simuleze comportamentul celulelor în timp, deschizând calea către prezicerea modului în care un cancer se va dezvolta.
Noua tehnologie combină date genomice de ultimă oră cu modele computaționale avansate pentru a anticipa schimbările din țesuturi, cum ar fi comunicarea dintre celule care poate duce la proliferarea tumorilor.
Cercetarea, condusă de o echipă de la Institutul pentru Științe Genomice (IGS) al Facultății de Medicină a Universității din Maryland (UMSOM) și publicată în prestigioasa revistă Cell, reprezintă punctul culminant al unui proiect complex, desfășurat pe parcursul mai multor ani. Acesta ar putea duce, în cele din urmă, la crearea unor „gemeni digitali” ai pacienților, permițând medicilor să testeze virtual cele mai bune strategii de tratament.
„Deși cercetarea biomedicală standard a făcut pași imenși în caracterizarea ecosistemelor celulare, rezultatul este încă o imagine statică, un instantaneu în timp. Acest lucru nu ne arată cum boli precum cancerul apar și evoluează din comunicarea dintre celule.”, explică dr. Jeanette Johnson, cercetător postdoctoral la IGS și co-autor al studiului.
„Cancerul este controlat sau, dimpotrivă, activat de sistemul imunitar, care este extrem de individualizat. Această complexitate face dificilă realizarea de predicții precise pentru un anumit pacient”, adaugă ea.
Un „radar” care vede viitorul cancerului
Elementul unic al acestei cercetări este utilizarea unei „gramatici ipotetice” – un limbaj simplificat care acționează ca o punte între sistemele biologice complexe și modelele computerizate. Dezvoltată de o echipă condusă de dr. Paul Macklin de la Universitatea Indiana, această gramatică permite oamenilor de știință să folosească propoziții simple, în limba engleză, pentru a construi simulări digitale ale comportamentului celular.
„Pe cât această nouă gramatică permite comunicarea între biologie și cod, pe atât permite și comunicarea între oamenii de știință din diferite discipline”, subliniază dr. Daniel Bergman, om de știință la IGS și co-autor al lucrării.
Echipa de la IGS a combinat această gramatică cu date genomice obținute de la probe reale de pacienți pentru a studia cancerul de sân și cel pancreatic.
În cazul cancerului de sân, modelul a simulat un scenariu în care sistemul imunitar, în loc să atace tumoarea, ajunge să favorizeze invazia și răspândirea acesteia. Pentru cancerul pancreatic, cercetătorii au simulat un studiu clinic virtual de imunoterapie. Folosind date de la țesuturi netratate, modelul a prezis corect că fiecare „pacient” virtual va avea un răspuns diferit la tratament, demonstrând importanța personalizării în oncologie.
De exemplu, cancerul pancreatic este adesea înconjurat de o structură densă de celule necanceroase, numite fibroblaste, care îl fac dificil de tratat. Folosind tehnologii de genomică spațială, echipa a demonstrat cum fibroblastele comunică cu celulele tumorale și a putut urmări progresia tumorilor în țesutul real al pacienților, arată phys.org.
Un laborator virtual pentru a testa viitorul
„Ceea ce face aceste modele atât de interesante este faptul că pot fi construite și calibrate folosind date genomice reale, atât din laborator, cât și de la oameni. Putem lua aceste date ca pe o fotografie a ceea ce face sistemul imunitar, iar acest cadru ne oferă un mediu de testare în care putem investiga liber ipotezele noastre, fără costuri suplimentare sau riscuri pentru pacienți.”, spune dr. Johnson.
Autoarea principală a studiului, dr. Elana J. Fertig, director al IGS, face o paralelă cu începuturile carierei sale. „De când am trecut de la predicția meteorologică la calculul computerizat, am crezut că putem aplica aceleași principii sistemelor biologice. Adaptarea acestei abordări la tehnologiile genomice ne oferă un laborator celular virtual.”
Pentru a demonstra aplicabilitatea largă a metodei, colaboratori de la Johns Hopkins School of Medicine au folosit programul pentru a simula crearea straturilor neuronale pe măsură ce creierul se dezvoltă.
Noul instrument este open-source, fiind disponibil gratuit comunității științifice pentru a accelera cercetarea.
„Datorită acestei lucrări, dispunem de un nou cadru pentru cercetarea biologică. Acest lucru are aplicații uriașe pentru dezvoltarea gemenilor digitali și a studiilor clinice virtuale în domeniul cancerului și nu numai. Așteptăm cu interes extinderea acestei modelări computaționale în practica clinică.”, a concluzionat dr. Mark T. Gladwin, decanul UMSOM.
