Первая комплексная компьютерная модель, имитирующая развитие клеток крови, может помочь в разработке новых методов лечения лейкемии и лимфомы, говорят исследователи из Кембриджского университета и Microsoft Research.
Человеческое тело производит более 2.5 миллионов новых клеток крови в течение каждой секунды нашей взрослой жизни, но то, как этот процесс контролируется, остается плохо изученным. Только в Великобритании ежегодно у 30 000 новых пациентов диагностируется рак крови. Эти виды рака, в том числе лейкемия, лимфома и миелома, возникают, когда производство новых клеток крови выходит из равновесия, например, если организм производит переизбыток белых кровяных телец.
Ученые-биомедики из Кембриджского института стволовых клеток Wellcome Trust-MRC и Кембриджского института медицинских исследований в течение последних 2 лет сотрудничали с компьютерными биологами из Microsoft Research и Департамента биохимии Кембриджского университета. Эта междисциплинарная группа исследователей разработала компьютерную модель, чтобы помочь лучше понять механизмы контроля, которые поддерживают нормальное производство крови. Подробности опубликованы сегодня в журнале Nature Biotechnology.
"С помощью этой новой компьютерной модели мы можем проводить смоделированные эксперименты за секунды, на выполнение которых в лаборатории уйдет много недель, что значительно ускорит исследования развития крови и генетических мутаций, вызывающих лейкемию," говорит профессор Берти Готтгенс, исследовательская группа которого базируется в Кембриджском институте медицинских исследований при университете.
Доктор Джасмин Фишер из Microsoft Research и факультета биохимии Кембриджского университета говорит: "Это еще одно подтверждение того, как компьютерные программы позволяют нам лучше понимать чрезвычайно сложные процессы. Новаторским в текущей работе является то, что мы показываем, как мы можем автоматизировать процесс создания таких программ на основе необработанных экспериментальных данных. Он дает нам план для разработки компьютерных моделей, относящихся к другим заболеваниям человека, включая распространенные виды рака, такие как рак груди и толстой кишки."
Чтобы построить компьютерную модель, аспирантка Вики Муаньяр из Института стволовых клеток измерила активность 48 генов в более чем 3900 клетках-предшественниках крови, которые дают начало всем другим типам клеток крови: эритроцитам и лейкоцитам, а также тромбоцитам. Эти гены включают TAL1 и RUNX1, оба из которых необходимы для развития стволовых клеток крови и, следовательно, для жизни человека.
Затем аспирант вычислительной биологии Стивен Вудхаус использовал полученный набор данных для построения компьютерной модели развития клеток крови, используя вычислительные подходы, первоначально разработанные в Microsoft Research для синтеза компьютерного кода. Важно отметить, что последующие лабораторные эксперименты подтвердили точность этой новой компьютерной модели.
Одним из способов использования компьютерной модели является моделирование активности ключевых генов, участвующих в раке крови. Например, примерно каждый пятый ребенок, у которого развивается лейкемия, имеет дефектную версию гена RUNX1, как и аналогичная доля взрослых с острым миелоидным лейкозом, одной из самых смертоносных форм лейкемии у взрослых. Компьютерная модель показывает, как RUNX1 взаимодействует с другими генами, чтобы контролировать развитие клеток крови: ген производит белок, также известный как Runx1, который у здоровых пациентов активирует определенную сеть ключевых генов; Считается, что у пациентов с лейкемией измененная форма белка подавляет ту же самую сеть. Если исследователи изменят «правила» в сетевой модели, они смогут имитировать образование аномальных лейкозных клеток. Изменяя модель лейкемии до тех пор, пока поведение сети не вернется к норме, исследователи полагают, что они могут определить многообещающие пути воздействия лекарств.
Профессор Готтгенс добавляет: "Поскольку компьютерное моделирование выполняется очень быстро, мы можем быстро просмотреть множество возможностей, чтобы выбрать наиболее многообещающие в качестве путей разработки лекарств. Стоимость разработки нового лекарства огромна, и большая часть этих затрат приходится на новые лекарства-кандидаты, которые не справились с задачей на поздних стадиях процесса разработки. Наша модель может значительно снизить риск неудачи, а также ускорить и удешевить открытие новых лекарств."
Исследование было поддержано Советом по медицинским исследованиям, Советом по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук, исследованием лейкемии и лимфомы, Обществом лейкемии и лимфомы, Microsoft Research и Wellcome Trust.
Д-р Мэтт Кайзер, руководитель отдела исследований британской благотворительной организации по борьбе с раком крови Leukemia & Lymphoma Research, которая более десяти лет финансирует команду профессора Готтгенса, сообщила: "При некоторых лейкозах большинство пациентов в конечном итоге умирают от своей болезни. Даже для рака крови, для которого шансы на долгосрочное выживание достаточно высоки, например, детской лейкемии, лечение может быть действительно изнурительным. Используя мощь передовых компьютерных технологий, это исследование значительно ускорит поиск более эффективных и мягких методов лечения, которые нацелены на эти виды рака у их корней."