Zrozumienie złożoności raka na poziomie komórkowym stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Od lat naukowcy na całym świecie niestrudzenie poszukują metod, które pozwoliłyby nam zajrzeć w głąb guzów nowotworowych, aby rozwikłać mechanizmy ich wzrostu i rozprzestrzeniania się. Tradycyjne metody badawcze, choć wartościowe, często okazują się niewystarczające, aby uchwycić pełnię dynamiki zachodzącej w mikrośrodowisku nowotworu. Jednakże, jak to często bywa w przełomowych momentach historii nauki, nowe technologie otwierają przed nami drzwi do nieosiągalnych wcześniej perspektyw. W tym kontekście, z dużym entuzjazmem należy przyjąć wiadomość o innowacyjnym modelu opartym na sztucznej inteligencji, który oferuje bezprecedensowy wgląd w komórkową architekturę guzów nowotworowych.
Startup BioTuring z San Diego zaprezentował model AI, który zrewolucjonizuje sposób, w jaki postrzegamy raka. Wyobraźmy sobie mapę miasta, nie widzianą z kosmosu, ale z poziomu ulicy, gdzie dostrzegamy każdy dom, każdy szczegół jego konstrukcji i wiemy, kto z kim rozmawia. Właśnie tak, na poziomie pojedynczej komórki, działa nowe narzędzie. Model ten tworzy niezwykle szczegółowe wizualizacje guzów nowotworowych, ujawniając rozmiar, kształt komórek, aktywowane geny i, co kluczowe, ich wzajemne położenie w przestrzeni tkanki. Mówimy tutaj o analizie milionów komórek w próbce tkanki, co stanowi ogromny skok naprzód w porównaniu do tradycyjnych, czasochłonnych metod biologicznych.
CEO BioTuring, Son Pham, obrazowo porównuje możliwości modelu do analizy zdjęć satelitarnych o bardzo wysokiej rozdzielczości:
„Wyobraź sobie, że analizujesz zdjęcia satelitarne o bardzo wysokiej rozdzielczości, próbując zrozumieć, jak działa miasto. To, co robi nasz model, w kontekście biologii, to pokazywanie ci każdego domu, co jest w środku tych domów, kto z kim rozmawia i co mówią.”
Ten wgląd w mikrośrodowisko nowotworu – złożoną sieć komórek, naczyń krwionośnych i substancji międzykomórkowej otaczającej komórki nowotworowe – jest kluczowy dla zrozumienia, jak rak rozwija się i metastazuje. Model AI pozwala badaczom zobaczyć, które komórki „rozmawiają” ze sobą, jakie grupy się formują i jakie relacje między nimi zachodzą. Te interakcje komórkowe, dotychczas w dużej mierze ukryte, mogą być kluczem do rozwiązania najbardziej skomplikowanych zagadek w onkologii klinicznej.
BioTuring, będąc członkiem programu NVIDIA Inception dla startupów, intensywnie rozwija swoje badania w dziedzinie single-cell spatial omics, gałęzi biologii, która bada cząsteczki biologiczne – takie jak mRNA i białka – w ich oryginalnym kontekście przestrzennym w tkance. Do stworzenia map o wysokiej rozdzielczości, nazywanych „atlasami komórek chorobowych”, w tym atlasu komórek raka jajnika, zespół wykorzystał potężne procesory graficzne NVIDIA H100 Tensor Core GPU oraz biblioteki NVIDIA cuBLAS i NVIDIA cuSPARSE. Te zaawansowane narzędzia obliczeniowe przyspieszają operacje macierzowe w zoptymalizowanych analizach, takich jak tradycyjne algorytmy uczenia maszynowego, np. Weighted Gene Co-expression Network Analysis i CellChat.
Zrozumienie mechanizmów rozwoju i metastazy – procesu rozprzestrzeniania się raka do odległych narządów – w ludzkim ciele, a w szczególności w mikrośrodowisku narządu, może znacząco usprawnić metody przesiewowe w kierunku wczesnego wykrywania raka. Ponadto, wgląd w komórki uzyskany dzięki modelowi pozwala lepiej zrozumieć heterogeniczność nowotworów, czyli sytuację, w której guzy nowotworowe u tego samego pacjenta składają się z komórek znacząco różniących się od siebie.
Poprzez zwiększoną rozdzielczość wizualizacji, naukowcy i firmy farmaceutyczne mają większe szanse na odkrycie markerów molekularnych, które mogą bardziej precyzyjnie celować w komórki nowotworowe. Model jest w stanie na przykład zaobserwować, jak komórki T cytotoksyczne – kluczowe komórki układu odpornościowego, odpowiedzialne za niszczenie zainfekowanych i nowotworowych komórek – zmieniają kształt, aby zwalczać raka. Wiedza o tym, jak układ odpornościowy pacjenta modyfikuje się w walce z konkretnym nowotworem, może umożliwić opracowanie syntetycznych terapii wspierających naturalne mechanizmy obronne organizmu.
Rujuta Narurkar, COO BioTuring, podkreśla terapeutyczny potencjał odkryć wynikających z zastosowania modelu:
„Pomagamy odkrywać biologiczne odkrycia, które naukowcy mogą wykorzystać do opracowania strategii terapeutycznych. Zrozumienie mikrośrodowiska nowotworu na różnych etapach pomoże zmapować trajektorię raka i potencjalnie ujawnić źródło samego raka. Ten nowy poziom rozdzielczości tkanki nowotworowej nigdy wcześniej nie był możliwy. Ale nowe technologie właśnie to umożliwiają.”
Podsumowując, nowy model AI stanowi przełomowe narzędzie w walce z rakiem. Dzięki niemu naukowcy zyskują bezprecedensowy wgląd w komórkową dynamikę guzów nowotworowych, co otwiera nowe możliwości w zakresie wczesnego wykrywania, leczenia i personalizacji terapii przeciwnowotworowych. To fascynujący krok naprzód, który przybliża nas do głębszego zrozumienia tej złożonej choroby i skuteczniejszej walki z nią.
Komórkowy atlas raka: AI w służbie onkologii by www.doktoraty.pl