Вычислительная модель человеческой ткани: от пробирки к битам
Компьютерные учёные и биологи из Центра исследования данных в Политехническом институте Ренсселера создали новую вычислительную модель — «клеточные графы», которая связывает структуру человеческой ткани с её биологической функцией. Это важный шаг в объединении вычислительной науки и традиционной биологии для борьбы с такими заболеваниями, как рак.
Исследование, длившееся более шести лет, опубликовано 30 марта 2012 года в журнале PLoS One в статье «Coupled Analysis of in Vitro and Histology Tissue Samples to Quantify Structure-Function Relationship». Работу возглавили профессор биологии Джордж Плоппер и профессор компьютерных наук Булент Йенер. Финансирование осуществляли Национальные институты здравоохранения (NIH) и Фонд Виллум.
Суть метода
Новый чисто вычислительный инструмент моделирует взаимосвязь структуры и функции различных тканей тела. В статье анализируются структура и функция здоровых и раковых тканей мозга, молочной железы и кости.
Модель позволяет вычислительно определить, является ли образец ткани раковым, вместо того чтобы полагаться на человеческий глаз, как это ежедневно делают патологоанатомы. Эта объективная методика может устранить разногласия между врачами и служить учебным инструментом для новых патологов.
Проблема и решение
Центральная концепция биологии — взаимосвязь структуры (клеток, органов) и их функции — плохо изучена на уровне взаимодействий миллионов клеток и десятков органов.
- Традиционная гистология: патолог изучает окрашенный срез ткани под микроскопом. Он видит структуру рака, но не понимает его функцию или происхождение.
- Культивирование клеток (in vitro): позволяет наблюдать за формированием раковой ткани в лаборатории, но это лишь упрощённая часть сложного процесса, происходящего в организме.
Не существовало лабораторных экспериментов, чтобы связать эти два метода. Вычисления сыграли ключевую роль.
Как работает модель
Метод использует теорию графов. Ткань упрощается до системы точек (клетки) и линий (их взаимодействия). Программа связывает и сравнивает точность данных:
- От реальных образцов человеческой ткани (гистология).
- От культур, выращенных в контролируемых лабораторных условиях (in vitro).
Результат — инструмент, который может обнаруживать и отличать рак, а также количественно оценивать различия между проанализированными тканями.
«С математической моделью, например, раковой ткани, вы можете вычислительно представить отношения между клетками. Эта модель может стать предсказательной и устранить потерю времени и энергии на метод проб и ошибок», — Булент Йенер.
Значение сотрудничества
Биологи и компьютерные учёные — очень разные сообщества. Биологи ищут открытия в деталях (экспрессия генов, белки), а компьютерные учёные стремятся представить общие отношения между точками данных.
«У нас очень уникальные отношения. Думаю, уйдёт вся моя карьера, чтобы люди в обеих областях, которые сейчас не общаются, хотя бы приняли факт, что им следует это делать», — Джордж Плоппер.
Плоппер даже создал курс «Взаимодействия клеток и внеклеточного матрикса», чтобы готовить биологов, компетентных в работе с данными. Учёные подчёркивают, что доверие к вычислительным методикам возникнет только при опоре на базовую биологию, которую можно ввести в модели и проверить.