O novo programa de computador simula o comportamento celular para descobertas médicas mais rápidas

Usando análise matemática de padrões de comportamento de células humanas e animais, os cientistas dizem que desenvolveram um programa de computador que simula o comportamento dessas células em qualquer parte do corpo. Sob os investigadores da Universidade de Indiana, John Hopkins Medicine, Maryland Medical College e Oregon University of Health and Science, o novo trabalho foi projetado para avançar no teste e prever processos biológicos, respostas a medicamentos e outras dinâmicas celulares antes de realizar experimentos mais caros com células vivas.

Através de mais trabalho no programa, os pesquisadores dizem que ele pode servir como um “gêmeo digital” para testar qualquer efeito no câncer ou em outros casos, reações ambientais genéticas durante o desenvolvimento do cérebro ou qualquer número de processos moleculares celulares dinâmicos em pessoas onde esses estudos não podem ser possíveis.

Foi financiado principalmente pelo Jayne Koskina Ted Giovanis e pelos Institutos Nacionais de Saúde, e pelo benefício do pré -conhecimento e dados financiados pela Lustgarten Foundation e pela National Cancer Research Corporation, o novo estudo e exemplos de simulação celular são descritos na Internet na 25 de julho da revista na revista célula.

De acordo com Jennif Stein Operation, PhD, professor da família Tircotz Family em Neurology and Neuroscience na Johns Hopkins University, o projeto de pesquisa começou com um workshop para uma versão anterior de programas de computador, chamada Physicell, projetada pelo professor de engenharia indiana de Indiana Paul Macklin, Ph.D.

O Physicell depende dos fatores chamados, “basicamente, robôs matemáticos que trabalham (um grupo de) regras que refletem o DNA das células e do RNA”, diz Stein Operation. Cada tipo de célula no corpo é atribuído a um fator e, em seguida, processando digitalmente para fazer coisas, como interagir com outras células e fatores ambientais, como tratamentos, oxigênio e outras partículas no processo de tecidos de forma, órgãos e, às vezes, câncer.

Ao rastrear as células após suas bases personalizadas, os cientistas podem ver quase coisas como como os tumores aparecem e interagem com tratamentos e sistema imunológico. Eles podem rastrear células que compõem camadas da crosta cerebral e veja como as células cerebrais são organizadas para estabelecer a base necessária para criar círculos. O Laboratório Stein-O’Brien, em cooperação com o primeiro co-autor Daniel Bergman, PhD, professor assistente do Instituto de Ciências Genome da Universidade de Maryland, Maryland, é levado ao desenvolvimento de outro programa para passar de células para círculos no cérebro.

McLean diz que os programas de modelagem de computadores modelo estão presentes, mas geralmente exigem conhecimento sofisticado de modelos de matemática e codificação de computador para uso e interpretação. Ele diz que o novo programa Physicell formulou novas “regras” que tornam o modelo de computador baseado em computador ao alcance dos cientistas que sabem muito sobre biologia, mas não são proficientes.

“Demorou meses para escrever o código para esses modelos, e agora podemos ensinar a outros cientistas a criar um modelo imunológico essencial dentro de uma ou duas horas”, diz McLean. “Também podemos usar esse programa para modelar a ciência do texto espacial, que é um alvo longo para os cientistas, para visualizar a localização de cada tipo de célula e como ela funciona nos tecidos mais prováveis de tecidos e tumores”.

Stein-Obrien descreve as novas regras de codificação como “literalmente, o Excel, em cada linha, corresponde ao tipo de célula com uma base na construção de uma frase humana legível. Por exemplo: esta célula aumenta a divisão com um aumento na concentração de oxigênio”.

Em seguida, o programa traduz automaticamente as regras biológicas da planilha em equações de matemática que produzem um guia para o comportamento celular. O programa também pode ajustar o formulário para corresponder aos dados existentes dos estudos de texto e remover materiais genéticos.

O autor do estudo, David Zhou, um estudante universitário da Universidade Johns Hopkins na época, trabalhou com a Operação Stein para fornecer muitos comportamentos celulares incluídos no novo programa. Ele e Zakari Nicholas, Johns Hopkins, Genética Humana de PhD, o Nids D-Span nacional, um modelo de crescimento cerebral que foi fabricado para ser o primeiro dados do atlas da encefalina.

Isso foi ativado por novos desenvolvimentos em programas que usam os dados que foram resolvidos para conectar clipes do comportamento da célula para construir um filme que exibe células e tecidos ao longo do tempo.

Isso é muito importante para doenças humanas. Queremos testar mudanças nas regras, padrões e caminhos celulares para ver como as células mudam seu comportamento. ”

Genevieve Stein-O’Brien, PhD, Professor de Família Rising Terkowitz em Neurologia e Neurociência na Universidade da Universidade de Johns Hopkins

Os modelos que envolvem o comportamento das células cancerígenas dependem inicialmente de dados de um grande grupo de tumores pancreáticos humanos em Johns Hopkins e em experimentos de laboratório em camundongos. O método participou da liderança do projeto, começando com seu papel anterior no Johns Hopkins Kimmel Cancer Center e continuou em seu papel atual.

Em uma das experiências projetadas para verificar a autenticidade do novo programa, Janet Johnson, PhD, Post -PhD, no Genome Science Institute e o último graduado em seu doutorado em imunologia. O programa na Johns Hopkins, transformou o modelo para simular como invadir o bacharelado, um tipo de célula imune, tumores da mama, aumentando a expressão de um caminho genético chamado EGFR. Aumentar esse caminho geralmente aumenta o crescimento do câncer. A simulação mostrou que os tumores cresceram porque as células cancerígenas aumentaram sua capacidade de se mover.

Com as células de câncer de mama vidas cultivadas em laboratório, os pesquisadores notaram o mesmo tipo de crescimento do tumor associado a um aumento no movimento celular.

“Ainda temos muito trabalho a fazer para adicionar mais dados de comportamento celular ao programa”, diz Johnson, que continua este trabalho como pós -Phd na faculdade de medicina da Universidade de Maryland.

“Estamos pensando nesse projeto em termos de laboratório de células virtuais”, diz Stein Operation. Em vez de conduzir todos os experimentos desde o início do banco de laboratório com células vivas, o objetivo é usar essas ferramentas, que podem eventualmente funcionar como um “gêmeo digital”, para determinar as prioridades das hipóteses e objetivos terapêuticos. “Então, ela diz:” Podemos nos concentrar em nosso trabalho aparentemente mais promissor. ”

No trabalho contínuo, a equipe de inteligência artificial usa para escrever modelos de simulação usando novas regras gramaticais, abrindo novas possibilidades para conectar modelos a novos dados e permitir que a pesquisa médica melhore os modelos digitais gêmeos.

Funding is provided by Jayne Koskinas Ted Giovanis for Health and Politics, National Institutes of Health (P01CA247886, K08CA248624, U24CA284156, 1u01CA294548-01, P5062924, U01CA, U54CA274371, U01CA212007, U54CA268083, R00NS122085, U01CA284090, T32GM148383, T32CA153952, U01CA202020202020202020202020202SPO102020202020202010 R01CA197296, P306973, P30 CA069533, T32GM141938-03, CA054174, F99NS13954, p30CA134274). A Fundação Kuni, a Fundação Nacional de Pesquisa do Câncer, a Fundação Nacional de Ciência, a Fundação de Pesquisa Biomédica de Leidos, a concessão de pesquisa de maryland Cancer Moonshot, uma bolsa de estudos de faculdade, a Fundação Susan G Komen, o Centro de Pesquisa de Câncer Brenden-Colson, o Centro de Pesquisa de Cancer-Breatit, a Fundação de Câncer, a Fundação de Câncer, a Fundação de Câncer, a Fundação de Pesquisa de Câncer, a Fundação Família, a Família Familiar, a Família Família, a Fundação de Pesquisa de Cancer, a Fundação Familiar, e Lilly Endowment, Inc., apoiando o Instituto de Tecnologia da Universidade de Indiana.

In addition to Stein-O’Brien, Macklin, Zhou, Nicholas, Johnson and Fertig, among the authors Daniel Bergman, Hebir Rocha, Eric Kramer, Ian McLean, Youssef Dance, Max Beth, Tamara Lopez, Forjaz, Michael Getz, Inês Godet, Furkan Kurtoglu, Melissa Lyman, John Metzcar, Jacob Mitchell, Andrew Raddatz, Jacobo Solorzano, Aneequa Sundus, Yafei Wang, David Denardo, Andrew Ewald, Daniele Gilkes, Thompson, Dennis Witz. , Laura Wood, B-Hesson Wu, Naha Zayedi, Lee Cheng, Jacqueline Zimmerman, Jude Philip, Elizabeth Javi, Joe Gray, Lisa Cosenz, Young Huan Chang e Laura M.