Исследователи Johns Hopkins Medicine утверждают, что они разработали нечто похожее на "Карты Гугл" подход для более точного расчета и визуализации структурных и функциональных изменений кровеносных сосудов, необходимых для роста опухоли. Объединив высококачественные данные трехмерной визуализации образцов опухолей из животных моделей со сложными математическими формулами, исследователи говорят, что теперь у них есть модель, которая точно представляет движение крови внутри опухолей, включая сложный кровоток, оксигенацию и структурные изменения, которые происходят.
Эта работа была опубликована 27 марта в журнале Nature Scientific Reports.
Арвинд Патхак, Ph.D., руководитель исследования говорит, что проект был разработан из-за необходимости обратиться к сложностям биологии рака при росте и развитии опухолей. Он видел необходимость в более совершенных прогностических моделях, поскольку многие существующие модели использовали элементарные приближения сложной геометрии кровеносных сосудов опухоли.
"Плохое представление о «микросреде» опухоли делает модели и основанные на них исследования менее точными. Поэтому я подумал, как я могу использовать свои знания в области визуализации, чтобы улучшить информацию, доступную разработчикам моделей?" говорит Патак, адъюнкт-профессор радиологии и биомедицинской инженерии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и член онкологического центра Джонса Хопкинса Киммела.
Чтобы создать модель, более точно отражающую структуру и поведение опухолей, его исследовательская группа имплантировала мышам клетки опухоли груди человека и визуализировала полученные опухоли с помощью трехмерной магнитно-резонансной микроскопии и микро-КТ. Эти трехмерные изображения с высоким разрешением предоставили подробную информацию об объеме опухоли и структуре ее сетей кровеносных сосудов.
После картирования основной структуры кровеносных сосудов Патак и его группа исследователей просмотрели научную литературу, чтобы найти информацию о том, как эти структуры, вероятно, будут вести себя в живой системе. В частности, они искали исследования, которые включали измерения артериального давления, кровотока и объема в сосудах, подобных тем, которые наблюдаются в их опухолях.
Используя эту информацию, группа в сотрудничестве с Лабораторией системной биологии Александра Попеля на факультете биомедицинской инженерии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса разработала набор математических формул, предназначенных для представления этих аспектов опухолей. Они сделали это, объединив данные ранее опубликованных исследований с собранной ими информацией.
"Модель на основе изображений включает тысячи точек данных о прогнозируемом кровотоке и внутрисосудистой оксигенации во всех опухолях," Патхак говорит.
Следующей задачей для группы было сделать собранную ими информацию простой для просмотра и понимания, во многом так, как географические карты в Интернете можно легко увидеть и наложить на них различную полезную информацию, такую как время в пути, активность на дорогах, объездные пути. и средняя скорость.
"Нам пришлось создать совершенно новый способ представления информации, которую мы сгенерировали, чтобы она была значимой и не подавляла тех, кто должен ее понять и использовать," говорит Патхак.
Для этого Патхак нанял Аканкша Бхаргава, доктор философии.D., инженер-механик и научный сотрудник лаборатории системной биологии, чтобы использовать математические модели, созданные Спиросом Стамателосом, Ph.D. "Мы провели мозговой штурм о различных способах наложения результатов моделирования на геометрию основного кровеносного сосуда без ущерба для сложности и богатства данных," говорит Бхаргава.
В результате, по его словам, получилось трехмерное представление сети кровеносных сосудов каждой опухоли с картой с цветовой кодировкой, показывающей движение крови по кровеносным сосудам, которые ее питают. "Выглядело очень похоже на Google Maps," говорит Патхак, "Сегменты кровеносных сосудов – это улицы, и поток крови в каждом сегменте аналогичен движению на каждой улице." По его словам, эта модель, как и приложения для картографии, дает исследователям более точное представление о том, что происходит в опухоли в любой момент времени, добавляет Патак. Эти убедительные визуализации уже привлекли внимание научного сообщества и были отмечены как "биомедицинская картина дня" Лондонский институт медицинских наук MRC.
Патак говорит, что команда планирует сделать эти изображения бесплатно доступными для научного сообщества для исследовательских целей. Модель можно сделать интерактивной, чтобы пользователи могли изменять такие параметры, как ширина кровеносных сосудов, чтобы наблюдать влияние на кровоток и доставку лекарств или других методов лечения опухоли.
Исследователи предупреждают, что этот подход еще не применим напрямую к опухолям человека. Но, говорит Патхак, "По мере того, как наша способность получать изображения с высоким разрешением в клинике улучшается, мы надеемся, что этот инструмент можно будет адаптировать для обеспечения неинвазивного способа прогнозирования поведения отдельного пациента с раком и настройки его терапии."
В настоящее время модель должна быть полезна биоинженерам и биологам-онкологам для более легкого изучения аспектов биологии опухолей "in silico," а также провести тесты на возможные методы лечения.