Νέες προοπτικές στη θεραπεία του καρκίνου του πνεύμονα
Ένα αναβαθμισμένο υπολογιστικό μοντέλο συμβάλλει στην κατανόηση της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων και των τρόπων που μπορούν να σταματηθούν. Το ψηφιακό μοντέλο κυττάρου αποτελεί ένα ακόμη βήμα προς την εξατομικευμένη θεραπεία του καρκίνου.
Ανάπτυξη του ψηφιακού δίδυμου κυττάρου
Μια ομάδα υπό την ηγεσία του Christian Baumgartner από το Ινστιτούτο Υγειονομικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Γκρατς (TU Graz) έχει αναπτύξει ένα εξαιρετικά λεπτομερές ψηφιακό δίδυμο της κυτταρικής σειράς καρκίνου του πνεύμονα A549. Το δίδυμο αυτό στηρίζεται σε βιοηλεκτρικές διαδικασίες και δυναμική ασβεστίου στο εσωτερικό του κυττάρου με καινοτόμους τρόπους. Το ασβέστιο είναι ένα ζωτικό στοιχείο για την επιβίωση των βιολογικών κυττάρων. Ωστόσο, αν η συγκέντρωση ασβεστίου εντός ενός κυττάρου είναι πολύ υψηλή, αυτό μπορεί να προκαλέσει θάνατο του κυττάρου – γεγονός που καθιστά το στοιχείο αυτό ιδιαίτερα ενδιαφέρον για τη θεραπεία του καρκίνου.
Σημαντικά ευρήματα και εφαρμογές
Δημιουργημένο στο πλαίσιο του έργου DigLungCancer, το μοντέλο κυττάρου βασίζεται σε ένα προηγούμενο μοντέλο του 2021 – που θεωρείται το πρώτο ψηφιακό μοντέλο ιόντων της ανθρώπινης σειράς καρκίνου του πνεύμονα A549. Το βελτιωμένο μοντέλο θα ανοίξει το δρόμο για έρευνες σχετικά με το πώς οι ροές ασβεστίου και οι ηλεκτρικές τάσεις στην κυτταρική μεμβράνη επηρεάζουν την ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων. Παρόλο που αυτά τα κύτταρα δεν μπορούν να ενεργοποιηθούν με τον συμβατικό νευροφυσιολογικό τρόπο, παρουσιάζουν ηλεκτρική δραστηριότητα. Το ψηφιακό μοντέλο παρέχει την πιο λεπτομερή λειτουργική απεικόνιση της βιοηλεκτρικότητας στα καρκινικά κύτταρα μέχρι σήμερα. Ο μακροπρόθεσμος στόχος είναι να εντοπιστούν νέοι στόχοι για φάρμακα και στρατηγικές εξατομικευμένης θεραπείας υποστηριζόμενες από υπολογιστές.
«Μία από τις σημαντικές προόδους στο βελτιωμένο μοντέλο κυττάρου μας είναι η λεπτομερής προσομοίωση της ενδοκυτταρικής κατανομής του ασβεστίου», σχολιάζει ο Christian Baumgartner. «Για πρώτη φορά, καταφέραμε να συμπεριλάβουμε μικρές περιοχές, ή μικροτομείς, όπου το ασβέστιο συγκεντρώνεται και όπου τα εσωτερικά κυτταρικά δίκτυα βρίσκονται κοντά στην κυτταρική μεμβράνη. Σε αυτές τις περιοχές, οι λεγόμενοι CRAC κανάλια ρυθμίζουν την εισροή ασβεστίου, το οποίο παίζει κεντρικό ρόλο στην ενεργοποίηση των ενδοκυτταρικών σηματοδοτικών οδών – συμπεριλαμβανομένων εκείνων που επηρεάζουν τον κυτταρικό κύκλο. Αυτή η βελτίωση μας επέτρεψε να απεικονίσουμε τις ηλεκτρικές διαδικασίες στα καρκινικά κύτταρα με απαράμιλλη ακρίβεια, περιλαμβάνοντας την αποθήκευση ασβεστίου, τους μηχανισμούς μεταφοράς, τις ικανότητες αποθήκευσης και τις επιδράσεις της τοπικής διάδοσης του ασβεστίου εντός του κυττάρου.
Στο επίκεντρο, το ψηφιακό δίδυμο κυττάρου αποτελείται από εκατοντάδες μαθηματικές εξισώσεις που συγχωνεύονται για να σχηματίσουν υπολογιστικές προσομοιώσεις. Αυτό το λεπτομερές ψηφιακό κύτταρο επιτρέπει στους ερευνητές να διεξάγουν υπολογιστικά υποστηριζόμενες δοκιμές για τις επιδράσεις φαρμάκων στη συμπεριφορά των κυττάρων. Για παράδειγμα, είναι δυνατή η πρόβλεψη της επίδρασης ουσιών που επηρεάζουν την κατανομή ασβεστίου ή τη λειτουργία ιόντων σε συγκεκριμένες περιοχές. Αυτό με τη σειρά του επιτρέπει τη δοκιμή υποθέσεων σχετικά με την ανάπτυξη των κυττάρων ή τον πιθανό θάνατο τους. Αν τα αποτελέσματα είναι σημαντικά, μπορούν στη συνέχεια να δοκιμαστούν στο εργαστήριο. Το ψηφιακό κύτταρο επιτρέπει επίσης την εξέταση σύνθετων συνδυασμών αλλαγών στη λειτουργία των ιόντων – η αναπαραγωγή τους στην πραγματική ζωή στο εργαστήριο θα ήταν δύσκολη και εξαιρετικά χρονοβόρα. Οι ερευνητές έχουν ήδη αποδείξει ότι η αναστολή ορισμένων CRAC καναλιών μπορεί να αλλάξει τη τοπική δυναμική του ασβεστίου και να επηρεάσει τη δραστηριότητα άλλων σηματοδοτικών οδών που ρυθμίζουν το ασβέστιο. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε διακοπή του κυτταρικού κύκλου ή να ενεργοποιήσει μηχανισμούς θανάτου κυττάρων.
Μέχρι στιγμής, το μοντέλο περιλαμβάνει μόνο ένα μεμονωμένο κύτταρο, πράγμα που σημαίνει ότι ορισμένοι σημαντικοί μηχανισμοί δεν μπορούν ακόμα να αναπαρασταθούν, όπως η επικοινωνία μεταξύ κυττάρων σε ομάδες, η ανάπτυξη ενός όγκου, η διάδοση καρκινικών κυττάρων (μετάσταση) και η δημιουργία νέων αιμοφόρων αγγείων στον όγκο (αγγειογένεση). Οι επόμενες φάσεις του ερευνητικού έργου θα κινηθούν προς αυτή την κατεύθυνση. Μακροπρόθεσμα, τα ευρήματα θα μπορούσαν να υποστηρίξουν την προσαρμογή σε συγκεκριμένες κυτταρικές σειρές ή δεδομένα ασθενών για τους σκοπούς της εξατομικευμένης έρευνας και θεραπείας του καρκίνου.
