新模型利用基因組學模擬腫瘤

參考消息網8月20日報道 據美國《科學日報》網站7月27日報道，科學家開發了一種非凡的新方法來模擬細胞隨時間變化的行爲：使用類似於預測天氣的數字“預報”。通過將患者基因組同開創性的簡明“假定語法”相結合，研究人員能夠模擬細胞在組織內的交流和演化。這些模擬使科學家能夠在數字環境中測試癌症的發展、免疫系統的反應，甚至可以測試治療方案在個體患者中可能產生的效果。

與預測風暴發展的天氣預報模型類似，研究人員現已開發出一種方法，預測組織中隨時間變化的細胞活動。新軟件將基因組學技術同計算機建模相結合，預測細胞行爲的改變，例如可能導致癌細胞增殖的細胞間通訊的變化等。

美國馬里蘭大學醫學院基因組科學研究所的研究人員共同領導了這項研究，成果於7月25日發表在美國《細胞》雙週刊網站上。這是多個實驗室歷經多年軟件開發和實驗/臨牀團隊科學研究者相互合作的重要成果。這項研究最終可能催生通過創建患者“數字孿生體”來幫助確定癌症最佳治療方案的計算機程序。

馬里蘭大學醫學院基因組科學研究所博士後研究員、該研究第一共同作者珍妮特·約翰遜博士表示：“儘管標準生物醫學研究在使用基因組學技術表徵細胞生態系統方面取得了不可估量的進展，但結果仍然是時間上的單一快照，而非展示像癌症這樣的疾病如何從細胞間通訊中產生。癌症受免疫系統控制和驅動，而免疫系統具有高度個體化特性，這種複雜性使得很難從人類癌症數據預測特定患者的情況。”

這項研究的獨特之處在於使用簡明的“假定語法”，將日常語言作爲生物系統同計算模型之間的橋樑，模擬細胞在組織中的行爲。

美國印第安納大學智能系統工程學教授保羅·麥克林博士領導的團隊開發了這種描述細胞行爲的語法。該語法使科學家能用簡單的英語句子構建多細胞生物系統的數字表徵，並讓團隊能爲癌症等複雜疾病開發計算模型。

基因組科學研究所科學家、馬里蘭大學醫學院藥理學與生理學助理教授、同約翰遜博士共同領導該研究的丹尼爾·伯格曼博士說：“這種新‘語法’不僅實現了生物學同代碼之間的溝通，還促進了不同學科科學家之間的交流，使他們能在研究中利用這種建模範式。”

伯格曼博士及其在基因組科學研究所的同事隨後將該語法同來自真實患者樣本的基因組數據相結合，利用空間轉錄組學等技術對乳腺癌和胰腺癌進行研究。

在乳腺癌研究中，基因組科學研究所團隊模擬了免疫系統無法抑制腫瘤細胞生長反而促進侵襲和癌症擴散的效應。隨後他們調整這一計算建模框架，模擬了胰腺癌免疫療法在真實世界的臨牀試驗。

使用來自未經治療的胰腺癌組織樣本的基因組數據，該模型預測每位虛擬“患者”對免疫療法治療的不同反應，展示出細胞生態系統對精準腫瘤學的重要性。例如，胰腺癌難以治療的部分原因是其周圍通常包裹着被稱爲成纖維細胞的非癌性細胞形成的緻密結構。研究團隊使用新型空間基因組學技術進一步展示了成纖維細胞同腫瘤細胞的通訊方式。該程序使科學家能追蹤來自真實患者組織的胰腺腫瘤生長和侵襲進程。

約翰遜博士說：“作爲一名免疫學研究者，這些模型最令我興奮的是它們可以通過實驗室和人類基因組數據進行信息輸入、初始化和構建。免疫細胞令人驚歎，它們遵循的行爲規則可以被編程到這些模型中。例如，我們可以獲取數據並將其視爲人類免疫系統活動的快照，這個框架爲我們提供了一個可以自由研究我們的假說隨時間變化的沙盒環境，而無需額外成本或給患者帶來風險。”（編譯/林朝暉）