摘要：研究人員如今開發(fā)出一種方法，可以預(yù)測組織中細(xì)胞隨時間的變化。
與預(yù)測風(fēng)暴發(fā)展的天氣預(yù)報模型類似，研究人員如今開發(fā)出一種方法，可以預(yù)測組織中細(xì)胞活動隨時間的變化。這款新軟件將基因組學(xué)技術(shù)與計算建模相結(jié)合，以預(yù)測細(xì)胞行為的變化，例如可能導(dǎo)致癌細(xì)胞增殖的細(xì)胞間通訊。
馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院（UMSOM）基因組科學(xué)研究所（IGS）的研究人員共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，該研究于7月25日在線發(fā)表在 《細(xì)胞》雜志上。這是一個多年、多實驗室合作的成果，該項目涉及軟件開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，并得到了實驗室和臨床團(tuán)隊科研人員之間重要合作的支持。這項研究最終可能催生出計算機(jī)程序，通過創(chuàng)建患者的“數(shù)字孿生”，幫助確定癌癥患者的最佳治療方案。
“盡管標(biāo)準(zhǔn)生物醫(yī)學(xué)研究已利用基因組學(xué)技術(shù)在表征細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)方面取得了巨大進(jìn)步，但其結(jié)果仍然只是單一的時間快照，而未能揭示癌癥等疾病是如何由細(xì)胞間的通訊引發(fā)的，”馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)研究所 (IGS) 博士后研究員、本研究共同第一作者 Jeanette Johnson 博士說道。“癌癥是由免疫系統(tǒng)控制或促成的，而免疫系統(tǒng)具有高度個體化；這種復(fù)雜性使得我們很難根據(jù)人類癌癥數(shù)據(jù)對特定患者進(jìn)行預(yù)測。”
這項研究的獨特之處在于使用了一種通俗易懂的“假設(shè)語法”，它以通用語言作為生物系統(tǒng)和計算模型之間的橋梁，模擬細(xì)胞在組織中的行為方式。
圖1 人類可讀語法編碼實現(xiàn)多細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)模型以普及虛擬細(xì)胞實驗室
印第安納大學(xué)智能系統(tǒng)工程教授Paul Macklin博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了描述細(xì)胞行為的語法。這種語法使科學(xué)家能夠使用簡單的英語句子構(gòu)建多細(xì)胞生物系統(tǒng)的數(shù)字表示，并幫助該團(tuán)隊開發(fā)出針對癌癥等復(fù)雜疾病的計算模型。
“這種新的‘語法’不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生物學(xué)和代碼之間的交流，還能使不同學(xué)科的科學(xué)家之間進(jìn)行交流，從而利用這種建模范式進(jìn)行研究，”IGS 科學(xué)家、UMSOM 藥理學(xué)和生理學(xué)助理教授、約翰遜博士的共同主要作者 Daniel Bergman 博士說。
隨后，Bergman博士和他在 IGS 的同事將這種語法與來自真實患者樣本的基因組數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)來研究乳腺癌和胰腺癌。
在乳腺癌中，IGS團(tuán)隊模擬了免疫系統(tǒng)無法抑制腫瘤細(xì)胞生長，反而促進(jìn)腫瘤侵襲和擴(kuò)散的效應(yīng)。他們調(diào)整了該計算模型框架，以模擬現(xiàn)實世界中胰腺癌的免疫治療臨床試驗。
該模型利用未經(jīng)治療的胰腺癌組織樣本的基因組學(xué)數(shù)據(jù)，預(yù)測每位虛擬“患者”對免疫療法的反應(yīng)各不相同，這體現(xiàn)了細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)對精準(zhǔn)腫瘤學(xué)的重要性。例如，胰腺癌是一種難以治療的癌癥，部分原因是它通常被一種名為成纖維細(xì)胞的致密非癌性細(xì)胞結(jié)構(gòu)所包圍。該團(tuán)隊利用新的空間基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)一步揭示了成纖維細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間的溝通方式。該程序使科學(xué)家們能夠追蹤胰腺腫瘤從真實患者組織到侵襲的生長和進(jìn)展過程。
“作為一名研究免疫學(xué)的人，這些模型讓我如此興奮，因為它們可以利用實驗室和人類基因組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息獲取、初始化和構(gòu)建，免疫細(xì)胞非常神奇，它們遵循的行為規(guī)則可以被編程到這些模型中。例如，我們可以獲取數(shù)據(jù)，并將其視為人體免疫系統(tǒng)活動的一個快照。這個框架為我們提供了一個沙盒，讓我們可以自由地研究我們對免疫系統(tǒng)隨時間推移所發(fā)生事件的假設(shè)，而無需承擔(dān)額外的成本或給患者帶來風(fēng)險。”
“自從我從馬里蘭大學(xué)帕克分校的天氣預(yù)報培訓(xùn)轉(zhuǎn)到計算領(lǐng)域以來，我一直相信我們可以將相同的原理應(yīng)用于整個生物系統(tǒng)，從而構(gòu)建癌癥預(yù)測模型。我對我們尚不了解的生物學(xué)規(guī)則之多感到震驚，”IGS主任、格林鮑姆綜合中心定量科學(xué)副主任、UMSOM醫(yī)學(xué)和流行病學(xué)教授兼該研究的主要作者Elana J. Fertig博士說道。“將這種方法應(yīng)用于基因組學(xué)技術(shù)，為我們提供了一個虛擬細(xì)胞實驗室，我們可以在其中進(jìn)行實驗，以完全在計算機(jī)模擬中測試細(xì)胞規(guī)則的影響。”
Fertig博士稱這項研究是“團(tuán)隊科學(xué)的掛毯”，約翰霍普金斯大學(xué)和俄勒岡健康科學(xué)大學(xué)的臨床合作者對計算模型進(jìn)行了額外的驗證。國家癌癥研究基金會資助了這個項目。
圖2 使用基于智能體的模型實現(xiàn)細(xì)胞知識數(shù)字化
新的語法是開源的，所以所有的科學(xué)家都可以從中受益。
Bergman博士說：“通過向科學(xué)界提供這個工具，我們正在為標(biāo)準(zhǔn)化這些模型提供一條道路，并使它們被普遍接受。”為了證明這種普遍性，約翰霍普金斯醫(yī)學(xué)院（JHSOM）的Terkowitz家族神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)病學(xué)教授Genevieve Stein-O 'Brien博士帶領(lǐng)研究人員在一個神經(jīng)科學(xué)的例子中使用了這種方法，在這個例子中，該程序模擬了大腦發(fā)育過程中層的形成。
“有了IGS的這項工作，我們有了一個新的生物學(xué)研究框架，因為研究人員現(xiàn)在可以創(chuàng)建他們的實驗室實驗和臨床試驗的計算機(jī)模擬，甚至開始預(yù)測治療對患者的影響，”馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校醫(yī)學(xué)事務(wù)副總裁、約翰·Z.和Akiko K. Bowers杰出教授和UMSOM院長Mark T. Gladwin醫(yī)學(xué)博士說。“這對于實現(xiàn)癌癥及其他領(lǐng)域的數(shù)字雙胞胎和虛擬臨床試驗具有重要應(yīng)用。我們期待著未來的工作將這種癌癥的計算模型擴(kuò)展到臨床。”
參考資料
[1] Human interpretable grammar encodes multicellular systems biology models to democratize virtual cell laboratories
摘要：研究人員如今開發(fā)出一種方法，可以預(yù)測組織中細(xì)胞隨時間的變化。
與預(yù)測風(fēng)暴發(fā)展的天氣預(yù)報模型類似，研究人員如今開發(fā)出一種方法，可以預(yù)測組織中細(xì)胞活動隨時間的變化。這款新軟件將基因組學(xué)技術(shù)與計算建模相結(jié)合，以預(yù)測細(xì)胞行為的變化，例如可能導(dǎo)致癌細(xì)胞增殖的細(xì)胞間通訊。
馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院（UMSOM）基因組科學(xué)研究所（IGS）的研究人員共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，該研究于7月25日在線發(fā)表在 《細(xì)胞》雜志上。這是一個多年、多實驗室合作的成果，該項目涉及軟件開發(fā)的各個環(huán)節(jié)，并得到了實驗室和臨床團(tuán)隊科研人員之間重要合作的支持。這項研究最終可能催生出計算機(jī)程序，通過創(chuàng)建患者的“數(shù)字孿生”，幫助確定癌癥患者的最佳治療方案。
“盡管標(biāo)準(zhǔn)生物醫(yī)學(xué)研究已利用基因組學(xué)技術(shù)在表征細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)方面取得了巨大進(jìn)步，但其結(jié)果仍然只是單一的時間快照，而未能揭示癌癥等疾病是如何由細(xì)胞間的通訊引發(fā)的，”馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)研究所 (IGS) 博士后研究員、本研究共同第一作者 Jeanette Johnson 博士說道。“癌癥是由免疫系統(tǒng)控制或促成的，而免疫系統(tǒng)具有高度個體化；這種復(fù)雜性使得我們很難根據(jù)人類癌癥數(shù)據(jù)對特定患者進(jìn)行預(yù)測。”
這項研究的獨特之處在于使用了一種通俗易懂的“假設(shè)語法”，它以通用語言作為生物系統(tǒng)和計算模型之間的橋梁，模擬細(xì)胞在組織中的行為方式。
圖1 人類可讀語法編碼實現(xiàn)多細(xì)胞系統(tǒng)生物學(xué)模型以普及虛擬細(xì)胞實驗室
印第安納大學(xué)智能系統(tǒng)工程教授Paul Macklin博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了描述細(xì)胞行為的語法。這種語法使科學(xué)家能夠使用簡單的英語句子構(gòu)建多細(xì)胞生物系統(tǒng)的數(shù)字表示，并幫助該團(tuán)隊開發(fā)出針對癌癥等復(fù)雜疾病的計算模型。
“這種新的‘語法’不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生物學(xué)和代碼之間的交流，還能使不同學(xué)科的科學(xué)家之間進(jìn)行交流，從而利用這種建模范式進(jìn)行研究，”IGS 科學(xué)家、UMSOM 藥理學(xué)和生理學(xué)助理教授、約翰遜博士的共同主要作者 Daniel Bergman 博士說。
隨后，Bergman博士和他在 IGS 的同事將這種語法與來自真實患者樣本的基因組數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)等技術(shù)來研究乳腺癌和胰腺癌。
在乳腺癌中，IGS團(tuán)隊模擬了免疫系統(tǒng)無法抑制腫瘤細(xì)胞生長，反而促進(jìn)腫瘤侵襲和擴(kuò)散的效應(yīng)。他們調(diào)整了該計算模型框架，以模擬現(xiàn)實世界中胰腺癌的免疫治療臨床試驗。
該模型利用未經(jīng)治療的胰腺癌組織樣本的基因組學(xué)數(shù)據(jù)，預(yù)測每位虛擬“患者”對免疫療法的反應(yīng)各不相同，這體現(xiàn)了細(xì)胞生態(tài)系統(tǒng)對精準(zhǔn)腫瘤學(xué)的重要性。例如，胰腺癌是一種難以治療的癌癥，部分原因是它通常被一種名為成纖維細(xì)胞的致密非癌性細(xì)胞結(jié)構(gòu)所包圍。該團(tuán)隊利用新的空間基因組學(xué)技術(shù)進(jìn)一步揭示了成纖維細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞之間的溝通方式。該程序使科學(xué)家們能夠追蹤胰腺腫瘤從真實患者組織到侵襲的生長和進(jìn)展過程。
“作為一名研究免疫學(xué)的人，這些模型讓我如此興奮，因為它們可以利用實驗室和人類基因組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息獲取、初始化和構(gòu)建，免疫細(xì)胞非常神奇，它們遵循的行為規(guī)則可以被編程到這些模型中。例如，我們可以獲取數(shù)據(jù)，并將其視為人體免疫系統(tǒng)活動的一個快照。這個框架為我們提供了一個沙盒，讓我們可以自由地研究我們對免疫系統(tǒng)隨時間推移所發(fā)生事件的假設(shè)，而無需承擔(dān)額外的成本或給患者帶來風(fēng)險。”
“自從我從馬里蘭大學(xué)帕克分校的天氣預(yù)報培訓(xùn)轉(zhuǎn)到計算領(lǐng)域以來，我一直相信我們可以將相同的原理應(yīng)用于整個生物系統(tǒng)，從而構(gòu)建癌癥預(yù)測模型。我對我們尚不了解的生物學(xué)規(guī)則之多感到震驚，”IGS主任、格林鮑姆綜合中心定量科學(xué)副主任、UMSOM醫(yī)學(xué)和流行病學(xué)教授兼該研究的主要作者Elana J. Fertig博士說道。“將這種方法應(yīng)用于基因組學(xué)技術(shù)，為我們提供了一個虛擬細(xì)胞實驗室，我們可以在其中進(jìn)行實驗，以完全在計算機(jī)模擬中測試細(xì)胞規(guī)則的影響。”
Fertig博士稱這項研究是“團(tuán)隊科學(xué)的掛毯”，約翰霍普金斯大學(xué)和俄勒岡健康科學(xué)大學(xué)的臨床合作者對計算模型進(jìn)行了額外的驗證。國家癌癥研究基金會資助了這個項目。
圖2 使用基于智能體的模型實現(xiàn)細(xì)胞知識數(shù)字化
新的語法是開源的，所以所有的科學(xué)家都可以從中受益。
Bergman博士說：“通過向科學(xué)界提供這個工具，我們正在為標(biāo)準(zhǔn)化這些模型提供一條道路，并使它們被普遍接受。”為了證明這種普遍性，約翰霍普金斯醫(yī)學(xué)院（JHSOM）的Terkowitz家族神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)病學(xué)教授Genevieve Stein-O 'Brien博士帶領(lǐng)研究人員在一個神經(jīng)科學(xué)的例子中使用了這種方法，在這個例子中，該程序模擬了大腦發(fā)育過程中層的形成。
“有了IGS的這項工作，我們有了一個新的生物學(xué)研究框架，因為研究人員現(xiàn)在可以創(chuàng)建他們的實驗室實驗和臨床試驗的計算機(jī)模擬，甚至開始預(yù)測治療對患者的影響，”馬里蘭大學(xué)巴爾的摩分校醫(yī)學(xué)事務(wù)副總裁、約翰·Z.和Akiko K. Bowers杰出教授和UMSOM院長Mark T. Gladwin醫(yī)學(xué)博士說。“這對于實現(xiàn)癌癥及其他領(lǐng)域的數(shù)字雙胞胎和虛擬臨床試驗具有重要應(yīng)用。我們期待著未來的工作將這種癌癥的計算模型擴(kuò)展到臨床。”
參考資料
[1] Human interpretable grammar encodes multicellular systems biology models to democratize virtual cell laboratories
