Vorhersage des Risikos von Krebs mit computational electrodynamics
Forscher von der Northwestern University sind mit Argonne Supercomputer voranzutreiben, die Entwicklung des optischen Mikroskopie-Verfahren zur Vorhersage und Quantifizierung von Krebsrisiken am sehr frühen Stadien.
Das Grundprinzip der Fahrt Allen Taflove des computational electrodynamics Forschung—was trägt das Potenzial zu verändern, wie wir diagnostizieren und eventuell zu behandeln, die verschiedene Formen von Krebs,—ist auffallend simpel, wenn man Sie destilliert: „Einfach gesagt, wir erfahren viel mehr über das, was geht in einer lebenden Zelle, weil wir buchstäblich zu beobachten, es zu ändern.“
Die Northwestern University (NU) professor leitet ein team von Forschern Nutzung von supercomputing-Ressourcen an der US-Department of Energy ‚ s (DOE) Argonne National Laboratory, sodass sich ein low-cost, high-throughput-optische Mikroskopie-Technik in der Lage, makromolekulare Veränderungen für die Vorhersage und Quantifizierung bei extrem frühen Stadien—die Gefahr von Krebs beim Menschen. Genauer gesagt, durch ausführen der open-source-Simulationstool Angora (ein „Mikroskop im computer“) auf die Argonne Leadership Computing Facility s (ALCF) Massiv-parallele Mira-system, das team-building bei und geht über das so genannte statische partial-wave spectroscopy (PWS), analysiert die intrazelluläre Aktivität basiert auf der single-instance-snapshots, um dadurch festzustellen dynamische PWS, die man vermittelt Informationen über eine Zelle, die innere Prozesse durch die Beobachtung, dass die Zelle evolution durch die Zeit. Die ALCF ist ein DOE Office of Science Benutzer-Einrichtung.
Im Allgemeinen, PWS analysiert zelluläre Bilder für bestimmte Auffälligkeiten und Veränderungen innerhalb dieser Prozesse,—die komplexen Bewegungen und Interaktionen der unzähligen einzelnen Moleküle der intrazellulären Strukturen, an denen Sie verwandt sind Anzeichen für frühen Stadium Krebs. Die Beziehung zwischen der molekularen Bewegung und makromolekulare Struktur wird sehr schwierig, die Sonde im Nanometerbereich Längen, das ist der relevante Maßstab. Durch die Weiterentwicklung der aus der statischen Analyse auf, dass von lebenden Zellen, dynamische PWS steht, eine wesentliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Selektivität der PWS-Technik.
Vadim Backman, Walter Dill Scott Professor of Biomedical Engineering an der NU-und co-principal investigator für das Projekt, war einer der ersten Forscher zu validieren, was wurde genannt die „Feld-Effekt ist.“ Die Feld-Effekt postuliert, dass die Krebs-Früherkennung kann erreicht werden, indem korrekt analysiert werden scheinbar normale Gewebe befindet sich in einiger Entfernung von befallenen Läsionen. Wenn gültige, würde dies die Möglichkeit schaffen, zum Beispiel, dass die ärzte verwenden könnte, wangenschleimhautabstrichen zu identifizieren Lungenkrebs oder Verwendung Pap-Abstriche zu erkennen Eierstock-und Gebärmutterhalskrebs. Backman entwickelt, die die PWS-Technik, die genau zur Durchführung dieser Feld-Effekt-Analysen. Durch die erste Messung und dann entfaltet Daten für die Farbe, die Spektren der Pixel in der Rückstreuung Mikroskop-Bild einer biologischen Zelle, schlug er vor, dass die PWS könnte, bestimmen den Grad der Zufälligkeit der nanometrischen Schwankungen der Dichte innerhalb der Zelle. Der Grad der Zufälligkeit, die wiederum korreliert werden konnte, um die Anwesenheit von Krebs tiefer in den Körper, dessen „Feld“ enthält die Zelle unter Analyse.
Backman ‚ s Vorschlag war die Quelle für einige kontroversen gegeben, dass die intrazelluläre Dichte-Schwankungen in Frage—von 20 bis 50 Nanometer in der Größe—kleiner als die klassische auflösungsgrenze bei sichtbaren Wellenlängen. Niederschlagung Skepsis, 2013 Backman-Gruppe veröffentlicht in Physical Review Letters (PRL) eine strenge, erste-Prinzipien-theoretische und numerische Analyse des PWS-Mikroskopie (d.h. eine abgeleitet aus den Maxwell-Gleichungen). Diese Analyse zeigte, dass PWS kann, in der Tat, genau charakterisieren die Statistik der subdiffraction-Skala Dichte-Schwankungen; in der Tat, die räumliche Ausdehnung dieser Schwankungen ist begrenzt, am unteren Ende nur durch das signal-zu-Rausch-Verhältnis des PWS-instrument.
Die Maxwell-Gleichungen computational solver eingesetzt, das 2013 PRL-Papier war mit dem Namen Angora. Entwickelt über einen Zeitraum von 10 Jahren in Backman Labor unter der Aufsicht von Taflove, Angora basiert auf einem finite-difference time-domain (FDTD) Physik-kernel, löst Maxwell Gleichungen auf nanoskalige voxels innerhalb des simulierten biologischen Zelle eine beliebige Linse fokussiert, apertured Beleuchtung. Integral-Transformationen zu simulieren, die Neuausrichtung der Linsen und blenden werden eingesetzt, um die FDTD berechneten optischen elektromagnetischen nahe Feld, die Ihren Höhepunkt in der Synthese von true-color-Bilder aus dem Mikroskop.
„Konsequent Lösung der Maxwell-Gleichungen auf nanometer-Größe voxels ermöglicht letztendlich Angora zu erstellen Vollfarb-Pixel auf der Bildebene. Diese Pixel können dann analysiert werden, für die spektralen Inhalt,“ Taflove sagte. „Nach der Optimierung Angora für Mira, wir waren in der Lage zu lösen, für mehr als eine Billion Vektor elektromagnetisches Feld-Komponenten, die wir denken, ist einzigartig unter software.“ Darüber hinaus durch die Unterscheidung zwischen 20-nanometer-Schwankungen-und 50-nanometer-Schwankungen, Angora weit über die Fähigkeiten herkömmlicher Mikroskope.
Zu Datum, die Backman-Gruppe hat, verwendet PWS erfolgreich quantifizieren das Risiko von Krebs in sieben verschiedenen Organe—, Lungen -, Kolon -, Pankreas -, ösophagus -, Prostata -, Eierstock-und Schilddrüsen—über mehrere hundert Patienten. Während der dynamische PWS beschäftigt in weniger als zehn dieser Fälle so weit (die große Mehrheit, dass stattdessen die Verwendung von statischen PWS), hat das team Pläne zu beurteilen, mehrere tausend weitere Patienten so zu erzeugen, das verlässliche Statistiken erforderlich, um eine Zulassung von der US Food and Drug Administration.
Von großem Interesse ist eine mögliche nächste Schritt: auf der Grundlage der Ergebnisse der PWS zu erkunden, die Entwicklung von neuartigen Krebstherapien. Die sieben Krebsarten untersucht, die mit PWS haben, historisch gesehen, wurde als disparate Krankheiten, mit jedem fordern eine einzigartige, speziell abgestimmte Behandlung. Aber PWS hat gezeigt, dass die ungewöhnlich erhöhten intrazellulären-media Dichteschwankungen sind allen gemeinsam, vor allem hinsichtlich der chromatin innerhalb des Zellkerns.
Angesichts dieser Entdeckung, Backman ist die Untersuchung einer möglichen breiten Spektrum in der Behandlung von Krebs ruft er chromatin-Schutz-Therapie (CPT). Zugrunde liegenden CPT ist die Hypothese, dass, wenn die Dichte Schwankungen von chromatin innerhalb einer Krebs Zellkern könnte, über einige passende Medikamente reduziert werden, die für eine normale Zelle, dann der Krebs Zelle wäre anfälliger für die Deaktivierung erfolgt durch standard-Behandlungen, wie z.B. Bestrahlung oder Chemotherapie. Tests der CPT bereits Fortgeschritten ist, um eine kleine Anzahl von menschlichen Patienten. Unterstützung des CPT-Hypothese, Taflove und Backman schlagen eine Reihe von Angora FDTD-Simulationen von dynamischen PWS für lebende Zellen mit ALCF Supercomputer. „Hier, stochastische Modelle für die Faltung und räumliche Reorganisation des chromatins in den Zellkern wird eine hohe räumliche Auflösung Eingangs-Daten-Angora-Modelle von dynamischen PWS,“ Taflove erklärt.
Ein Papier, veröffentlicht in Nature Communications stellt das team die meisten wirkungsvolle Arbeit noch. Einsatz dynamischer PWS, die Forscher Messen die intrazelluläre nanoskaligen Strukturen und makromolekulare Dynamik von lebenden Zellen, die empfindlich auf Veränderungen, die kleiner als 20 Nanometer und die Erreichung einer Millisekunde zeitliche Auflösung. FDTD-Berechnungen mit Angora wurden validiert durch den Vergleich mit experimentellen Messungen mit nanosphere-imaging-Phantome. Die Anwendung dieses Systems in vitro konnten die Forscher erkunden höherer Ordnung chromatin Struktur und Dynamik Veränderungen zurückzuführen zellulären Fixierung, Stammzell-Differenzierung und ultraviolett – (UV -) Bestrahlung. Dabei ein neues Phänomen entdeckt wurde: zelluläre Paroxysmus, eine synchrone, nahezu sofortige platzen der intrazellulären Bewegung, tritt früh in den Prozess der UV-induzierten Zelltod.