インディアナ大学の研究者らは、人間の免疫システムの「デジタルツイン」を作成することで、同大学のスーパーコンピューター Big Red 200 やその他の高性能コンピューティング リソースを活用して、がんや新型コロナウイルスなどのウイルス感染症を含む幅広い疾患に対するより効果的な治療法を開発しています。 19.
デジタル ツインの研究は、物理システムの仮想レプリカを使用して現実世界のシナリオをシミュレーションおよび分析する新しい研究分野です。
IU 博士課程学生ヒーバー・ロシャ氏（左）と IU 准教授ポール・マックリン氏は、現実世界の患者データを使用して、個別にカスタマイズされたがん治療法を考案することを目指しています。 写真提供：インディアナ大学、James Brosher
この取り組みのリーダーは、 ポール・マックリンIU Luddy School of Informatics, Computing and Engineering のインテリジェント システム エンジニアリングの准教授であり、IU の数学癌研究室の所長でもあります。 患者固有のがんシミュレーター。 彼と彼の研究室の博士研究員であるヒーバー・ロシャは、複数のソースから得た実際の患者データを統合し、シミュレーションを使用して個別にカスタマイズされたがん治療法を考案することを目指しています。
「私たちは、個々のがん細胞と免疫細胞の相互作用をシミュレートする数学的モデルに基づいてデジタルツインを構築しています」と、ルディスクールの学部教育副学部長でもあるマックリン氏は述べた。 「私たちの目標は、医師が、さまざまな薬剤化合物や治療法が細胞シミュレーションで細胞の挙動にどのような影響を与えるかに基づいて、患者に最適な介入戦略を処方できるようにすることです。」
IU の高性能コンピューティング リソースを使用して、Macklin の研究室では、数十万または数百万の細胞のダイナミクスと相互作用をシミュレートして、患者の治療を評価、最適化、カスタマイズできます。
大きな課題は、がん細胞と免疫細胞がどのように動作するかである、とマックリン氏は言う。
「これは非常に確率論的です。つまり、ランダムな偶然の要素があるということです」と彼は言う。 「今日、免疫細胞は正常に機能するかもしれません。 明日にはその免疫細胞が左に行ってしまっている可能性があり、これらの左右のランダムな選択が時間の経過とともに複雑になると、長期的な影響に大きな変化が生じる可能性があります。」
Big Red 200 は、研究者がこの動作を詳細なレベルでモデル化できるようにすることで、研究室がその課題を解決するのに役立ちます。 これらの仮想実験を多くの開始条件、さまざまな免疫細胞パラメータ、シミュレーションされた薬剤の組み合わせで実行することで、チームは最適な治療戦略を見つけ出し、クリニックの未知の要素に対してどれだけ堅牢であるかを推定することができます。
「私たちには、さまざまな動作をするさまざまな種類の細胞が存在します」とマックリン氏は言う。 「その患者の特定のモデルがその特定の治療介入に対してどのように反応するかを理解するには、そのモデルを何度も実行する必要があります。 Big Red 200 のようなリソースがあると、非常に多くのシミュレーションを自由に実行できるため、大きな違いが生まれます。」
マックリン氏のチームは、ジョンズ・ホプキンス大学シドニー・キンメル総合がんセンターのコンバージェンス研究所、オレゴン健康科学大学ナイトがん研究所の研究者の連合と協力して、将来のがん免疫療法のデジタルツインを強化できる技術の開発とテストを行っており、現在は乳房に焦点を当てている。そして膵臓がん。 協力者には以下が含まれます:
- エラナ完了腫瘍量科学部門のディレクターであり、コンバージェンス研究所の共同ディレクターでもある。同研究所のチームは、天気予報や予想に使用されるデータ同化手法を適用することで、マックリンのモデルを拡張して膵臓がんを追跡することを目指している。
- ジャッキー・ジマーマン腫瘍学の助教授であり、コンバージェンス研究所のメンバー。 患者自身の細胞から増殖する小さな腫瘍である「がんオルガノイド」の成長の専門家である彼女は、これらのオルガノイドを使用して、がん細胞と免疫細胞が薬剤にどのように反応するかに関するデータを提供し、マックリンのチームがモデルを構築できるようにします。
- エリザベス・ジャフィーキンメル総合がんセンターの副所長であり、コンバージェンス研究所の共同所長であり、ヒト腫瘍におけるこれらの統合された生物学的および数学的モデルからの予測を検証するための臨床試験データセットを提供しています。
- 腫瘍学助教 アトゥル・デシュパンデ 神経科学の助教授 ジュヌヴィエーブ・スタイン・オブライエン彼らはデータ同化、生物情報学、がんゲノミクスの専門知識を応用して、マックリンのシミュレーションモデルをオルガノイド実験や臨床アッセイに校正しています。 これには、患者自身のがん細胞や免疫細胞の仮想バージョンを使用した播種シミュレーションが含まれます。
- ローラ・ハイザーオレゴン健康科学大学の生物医工学部の副教授であり、最先端の計測画像技術を使用して、デジタル ツイン アプローチをさらに多くのがんの種類に拡大することに貢献しています。
研究者らは協力して、膵臓がん患者ごとにデジタルツインを構築します。 次に、IU の高性能コンピューティング リソースを使用して各患者のデジタル ツインで「仮想実験」を実行し、患者にとってどの治療法が最も効果的であるかを特定します。 どの戦略が遠隔臓器への転移を遅らせるかを仮想的にテストすることもできる。
このアプローチにより、チームは患者に失敗した治療法を試すリスクを負うことなく、腫瘍の制御または除去にどの戦略が最適であるかを予測できるようになります。
IU の高性能コンピューティング リソースにより、マックリン氏のチームは「計算処理を行わないコントロール グループ」を作成することもできると同氏は付け加えた。
「未治療の仮想患者がいて、実際の患者がいて、予測された治療法があります」と彼は言いました。 「その患者は予測された治療に近い、つまり治療が効果があったことを意味しますか、それとも予測された未治療の対照に近い、つまり変化がなかったということですか? デジタルツインは、他の方法では分からなかった微妙な臨床上の質問に答える機会を与えてくれます。」
マックリン氏によると、一般的な治療試験は効果を測定するのに十分なイベントが起こるまで何年もかかるという。 計算モデルを使用すると、数か月にわたる仮想トライアルのシミュレーションが数時間で完了します。
マックリン研究室のオープンソース コードは、凍結生物学、凍結保存、組織発生、黄斑変性、血管新生、血管発達など、がん以外の他の医療分野や病状に関する研究を推進するためにも使用されています。
デジタルツインがん治療は目覚ましい進歩を遂げているが、これらの技術が臨床試験で使用されるまでには長い道のりがあるとマックリン氏は述べた。
この取り組みに加えて、IU では、University Information Technology Services の Research Technologies が提供する大学の高性能コンピューティング リソースを活用した、他にも多くの取り組みが進行中です。
IU のデジタル ツイン モデリングは、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の治療法の開発に使用されています。 IU生物複雑性研究所は、 デジタルツインの構築を簡素化するオープンソースソフトウェア環境を開発しました。。 ブルーミントンにある IU Luddy School のコンピューター サイエンス学科は、新しいプログラミング手法を開発し、次世代の研究者を教育することで、デジタル ツイン研究の分野に多大な貢献をしています。
デジタル ツインの研究に重点を置いている他の研究センターや研究室には、複雑なネットワークおよびシステム研究センターや複雑なネットワークのシミュレーションおよび分析センターなどがあります。 UITS Research Technologies とともに、これらのセンターと研究室は、IU の研究者に最先端のコンピューティング リソースとさまざまな分野の専門知識へのアクセスを提供します。
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#IUの研究者がハイパフォーマンスコンピューティングを利用してがん治療を改善IUニュース
2024-03-29 15:36:16