Nowoczesne technologie coraz śmielej wkraczają do świata biologii i medycyny, umożliwiając prowadzenie badań, które jeszcze niedawno wydawały się niemożliwe. Naukowcy z czołowych amerykańskich instytucji opracowali innowacyjny program komputerowy, który potrafi naśladować zachowanie komórek ludzkich i zwierzęcych w dowolnej części ciała. Dzięki temu możliwe staje się testowanie reakcji organizmu na leki, śledzenie rozwoju chorób i projektowanie terapii bez konieczności przeprowadzania kosztownych eksperymentów na żywym materiale biologicznym. To przełomowe narzędzie może zrewolucjonizować proces odkrywania i wdrażania nowych terapii.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa nowy program PhysiCell i dlaczego jest przełomem w modelowaniu zachowań komórek.
- W jaki sposób cyfrowy bliźniak komórki może pomóc w badaniach nad nowotworami i rozwojem mózgu.
- Dlaczego nowe podejście ułatwia pracę biologom, nawet bez znajomości programowania.
- Jak sztuczna inteligencja wspiera rozwój symulacji biologicznych w czasie rzeczywistym.
Innowacyjne podejście do biologii obliczeniowej
Zespół naukowców z czołowych amerykańskich instytucji — w tym Uniwersytetu Indiany, Johns Hopkins Medicine, University of Maryland School of Medicine oraz Oregon Health & Science University – stworzył nowatorski program komputerowy, który odtwarza zachowanie komórek w dowolnym obszarze ciała. Narzędzie to umożliwia wirtualne testowanie leków, obserwowanie procesów nowotworowych oraz śledzenie rozwoju mózgu na poziomie komórkowym, zanim jeszcze eksperymenty zostaną przeprowadzone na żywych organizmach.
Nowe podejście otwiera drogę do tworzenia tzw. cyfrowych bliźniaków – dynamicznych modeli symulacyjnych służących do testowania hipotez naukowych i planowania terapii medycznych.
PhysiCell – od symulacji do przewidywania
Podstawą nowego systemu jest program PhysiCell, którego twórcą jest dr Paul Macklin, profesor inżynierii na Uniwersytecie Indiany. PhysiCell działa na zasadzie agentów, czyli „robotów matematycznych”, które są zaprogramowane zgodnie z zestawem reguł odzwierciedlających ekspresję DNA i RNA w komórkach.
Każdy typ komórki w organizmie jest mapowany na agenta, a następnie cyfrowo manipulowany, aby wykonywać pewne czynności, takie jak interakcja z innymi komórkami i czynnikami środowiskowymi, takimi jak leki, tlen i inne cząsteczki – wyjaśnia dr Genevieve Stein-O’Brien z Johns Hopkins University.
Narzędzie pozwala analizować procesy takie jak powstawanie nowotworów, tworzenie warstw kory mózgowej czy reakcje immunologiczne. Badacze mogą śledzić, jak komórki tworzą struktury tkankowe, oddziałują z lekami i środowiskiem lub reorganizują się w odpowiedzi na zmiany biologiczne.
Gramatyka komórek dla biologów, nie programistów
Jedną z największych innowacji jest uproszczenie sposobu tworzenia modeli. PhysiCell wykorzystuje nową „gramatykę biologiczną”, która sprawia, że narzędzie jest przystępne dla naukowców bez zaawansowanej wiedzy z zakresu programowania.
Dosłownie arkusz kalkulacyjny Excela, który w każdym wierszu dopasowuje typ komórki do reguły w czytelnej dla człowieka składni. Na przykład: ta komórka zwiększa liczbę podziałów wraz ze wzrostem stężenia tlenu – tłumaczy Stein-O’Brien.
Program automatycznie przekłada te reguły na równania matematyczne i dopasowuje je do istniejących danych biologicznych, takich jak transkryptomika przestrzenna. Dzięki temu proces, który wcześniej trwał miesiące, można dziś zrealizować w ciągu kilku godzin.
Kiedyś napisanie kodu dla tych modeli zajmowało miesiące, a teraz możemy nauczyć innych naukowców tworzenia podstawowego modelu immunologicznego w godzinę lub dwie – podkreśla dr Macklin.
Od rozwoju mózgu do nowotworów
Ważnym aspektem projektu jest zastosowanie programu do modelowania rozwoju mózgu. David Zhou, były student neurobiologii na Johns Hopkins, wraz z doktorantem Zacharym Nicholasem zbudował pierwszy tego typu model na podstawie danych z Atlasu Mózgu Allena. Narzędzie pozwala przekształcać migawki zachowań komórek w filmy ukazujące ich interakcje w czasie.
Podobnie obiecujące rezultaty osiągnięto w badaniach nad nowotworami. Dr Jeanette Johnson przeprowadziła symulacje z udziałem makrofagów inwazyjnych w guzach piersi. Zwiększenie aktywności szlaku EGFR, który promuje wzrost nowotworu, doprowadziło do nasilenia ruchliwości komórek rakowych – efekt, który potwierdził się także w badaniach na żywych komórkach in vitro.
Wirtualne laboratorium komórkowe przyszłości
Badacze widzą w PhysiCell przyszłe centrum projektowania terapii i eksperymentów.
Myślimy o tym projekcie jak o wirtualnym laboratorium komórkowym – mówi Stein-O’Brien. – Zamiast przeprowadzać wszystkie eksperymenty od samego początku na stole laboratoryjnym z żywymi komórkami, celem jest wykorzystanie tych narzędzi, które docelowo mogłyby działać jak cyfrowy bliźniak, do priorytetyzacji hipotez i celów terapeutycznych.
Obecnie trwają prace nad integracją sztucznej inteligencji z oprogramowaniem, aby automatycznie tworzyć modele oparte na dostępnych danych biologicznych. To oznacza, że badania będą mogły postępować jeszcze szybciej i z większą precyzją.
Finansowanie i współpraca
Projekt uzyskał szerokie wsparcie finansowe, m.in. od Fundacji Jayne Koskinas Teda Giovanisa, Narodowych Instytutów Zdrowia (NIH), Lustgarten Foundation, National Foundation for Cancer Research oraz wielu innych organizacji wspierających badania nad rakiem i neurobiologią.
W badaniach uczestniczyli również naukowcy z takich ośrodków jak Brenden-Colson Center for Pancreatic Care, Break Through Cancer czy Breast Cancer Research Foundation.
👉 Wyniki oraz opis badań znajdziesz pod TYM LINKIEM
Główne wnioski
- PhysiCell to innowacyjny program komputerowy, który naśladuje zachowanie komórek na poziomie molekularnym i tkankowym, przyspieszając testowanie terapii i leków.
- Oprogramowanie wykorzystuje czytelną gramatykę biologiczną, umożliwiając naukowcom bez wiedzy programistycznej tworzenie złożonych modeli komórkowych w zaledwie kilka godzin.
- Modele opracowane w programie pomogły odtworzyć rozwój mózgu oraz wzrost nowotworów w warunkach symulowanych, z wynikami potwierdzonymi w eksperymentach in vitro.
- Projekt rozwijany jest przez zespoły z Johns Hopkins, University of Maryland i Indiana University i wspierany przez kilkadziesiąt instytucji, w tym NIH i fundacje onkologiczne.
Źródło:
- Johns Hopkins Medicine
- Cell
