WEST LAFAYETTE, Ind. — Thế hệ tiếp theo của các phương pháp điều trị ung thư có thể được tìm thấy, không phải nhờ các nhà khoa học nhìn qua kính hiển vi, mà nhờ các nhà khoa học máy tính phân tích các con số. Nhờ lượng dữ liệu chưa từng có, các nhà nghiên cứu của Đại học Purdue từ Trường Cao đẳng Khoa học và Cao đẳng Nông nghiệp đang sử dụng các kỹ thuật khoa học dữ liệu sáng tạo để hiểu rõ hơn về di truyền học và sinh học tế bào của tế bào ung thư và khối u.
Công việc này cho phép họ đi tiên phong trong các công cụ chẩn đoán mới, tạo ra các phương pháp điều trị mới và thúc đẩy đáng kể cuộc chiến chống ung thư. Một số tiến bộ này thậm chí có thể cho phép các bác sĩ chuyên khoa ung thư khai thác hệ thống miễn dịch của chính bệnh nhân để chống lại ung thư.
Trước đây, các nhà khoa học phải dựa vào kích thước mẫu nhỏ, nghiên cứu trường hợp và trong một số trường hợp may mắn, phân tích di truyền hoặc DNA của khối u. Giờ đây, họ có thể rút ra từ các cơ sở dữ liệu khổng lồ có sẵn công khai bao gồm một lượng dữ liệu gần như vô hồn: thông tin về những người mắc các loại ung thư khác nhau trên một phạm vi rộng lớn của các châu lục, chủng tộc, văn hóa, giới tính và tuổi tác, cũng như di truyền học của hàng trăm ngàn tế bào riêng lẻ tạo nên khối u và các mô khác. Trên thực tế, có quá nhiều dữ liệu đến nỗi các công cụ phân tích truyền thống không thành công.
Đó là nơi khoa học dữ liệu xuất hiện.
Andrew Mesecar, Giáo sư Walther của Đại học Purdue về Sinh học cấu trúc ung thư và phó giám đốc Trung tâm nghiên cứu ung thư của Đại học Purdue, cho biết các phương pháp khoa học dữ liệu rất quan trọng đối với tương lai của nghiên cứu ung thư. (Ảnh Đại học Purdue/Rebecca McElhoe) Tải xuống
Khoa học dữ liệu là một lĩnh vực khoa học sử dụng toán học và mô hình máy tính tiên tiến để phân tích các tập hợp dữ liệu phức tạp: tập dữ liệu khổng lồ và thậm chí cả những tập hợp bao gồm các loại dữ liệu khác nhau. Nó cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn các vấn đề và tìm ra con đường vượt qua sự hỗn loạn.
Andrew Mesecar, Giáo sư Walther của Đại học Purdue về Sinh học Cấu trúc Ung thư, là phó giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Đại học Purdue (PCCR), nơi ông giúp lãnh đạo các nhóm liên ngành gồm các nhà sinh học máy tính, nhà hóa sinh, nhà thống kê, nhà khoa học máy tính và nhà miễn dịch học. Khoản tài trợ trị giá 11 triệu đô la từ Quỹ Ung thư Walther giúp hỗ trợ công việc.
“Chúng tôi phải tìm ra cách khai thác tất cả dữ liệu này để có ý nghĩa. Chứa trong tất cả thông tin di truyền này là các mục tiêu phân tử mới tiềm năng cho các liệu pháp điều trị ung thư và các dấu ấn sinh học mới để phát hiện và theo dõi ung thư. Chúng tôi là những người tiên phong. Chúng tôi đang thực hiện những bước nhảy vọt,” Mesecar nói.
“Trong tương lai, khi một bệnh nhân ung thư đến khám, chúng tôi sẽ có thể theo dõi bộ gen của bệnh ung thư của họ trong thời gian thực, để đưa ra dự đoán về diễn biến của bệnh ung thư và đưa ra quyết định theo thời gian thực về phương pháp điều trị nào. sử dụng. Chúng tôi sẽ không phải chờ xem liệu họ có phản ứng với thuốc trước hay không rồi thay đổi khi họ đã điều trị quá xa. Nếu họ chết thì sao? Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn đặt chúng qua các tác dụng phụ mà không làm giảm khả năng ung thư của chúng?”
Nỗi lo lắng đó – rằng nếu không được điều trị đúng cách hoặc điều trị đúng cách vào đúng thời điểm, bệnh nhân có thể tử vong – là trọng tâm của những gì Trung tâm Nghiên cứu Ung thư của Đại học Purdue thực hiện. Đó là điều thúc đẩy các nhà nghiên cứu, điều truyền cảm hứng cho công việc trong phòng thí nghiệm và điều khiến các nhà khoa học làm việc với siêu máy tính và băng ghế trong phòng thí nghiệm của họ, cũng như điều khiến họ làm việc cùng nhau và học hỏi lẫn nhau. Với phần còn lại của Trường Cao đẳng Khoa học, các nhà nghiên cứu này cam kết kiên trì theo đuổi kiến thức toán học và khoa học, những kiến thức tạo thành nền tảng của sự đổi mới và mở đường cho các giải pháp thiết thực cho những thách thức ngày nay.
Min Zhang, phó giám đốc khoa học dữ liệu tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Purdue và là giáo sư thống kê, đã dành 12 năm ở trường y trước khi quyết định tập trung vào việc sử dụng dữ liệu để chống ung thư. (Ảnh Đại học Purdue/John Underwood) Tải xuống
Một bác sĩ đang nghiền ngẫm những con số
Min Zhang bắt đầu sự nghiệp của mình với tư cách là một bác sĩ điều trị bệnh nhân ung thư trong bệnh viện. Sau 12 năm ở trường y, cô quyết định câu trả lời cho bệnh ung thư có thể nằm ở những con số. Hiện là giáo sư thống kê và phó giám đốc khoa học dữ liệu tại PCCR, Zhang phát triển các phương pháp thống kê và áp dụng chúng vào dữ liệu ung thư, hy vọng thu thập được những hiểu biết mới về phát hiện và chẩn đoán sớm ung thư.
Zhang cho biết: “Chúng tôi bắt đầu có rất nhiều dữ liệu do các phòng thí nghiệm và phòng khám tạo ra. “Dữ liệu là hỗn hợp, tất cả các loại khác nhau. Chúng tôi phải tìm ra cách trích xuất thông tin từ những dữ liệu này và chuyển nó thành kiến thức mà mọi người có thể sử dụng.”
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các sản phẩm chuyển hóa trong cơ thể — đường, axit amin và các phân tử khác được gọi là chất chuyển hóa — để cố gắng dự đoán liệu một bệnh nhân có hoặc sẽ bị ung thư hay không. Nhưng nhìn vào một chất chuyển hóa tại một thời điểm không cho thấy bất kỳ mô hình mạnh mẽ nào. Tuy nhiên, khi Zhang và các cộng tác viên của cô bắt đầu sử dụng các kỹ thuật khoa học dữ liệu để phân tích các nhóm chất chuyển hóa có liên quan đến sinh học, họ đã phát hiện ra một câu chuyện khác.
“Các chất chuyển hóa không hoạt động độc lập; họ làm việc cùng nhau để thực hiện các chức năng cụ thể,” Zhang nói. “Khi chúng tôi xem xét các nhóm chất chuyển hóa, chúng tôi thu được nhiều sức mạnh thống kê hơn đáng kể. Khi chúng ta xem xét từng chất chuyển hóa riêng lẻ, chỉ có một chất có ý nghĩa nhỏ. Nhưng khi chúng tôi nghiên cứu tất cả chúng cùng nhau, đã có những kết quả rất đáng kể.”
Sử dụng phương pháp này sẽ cung cấp các dấu ấn sinh học đáng tin cậy hơn, có thể cho phép các bác sĩ thực hiện những việc như sàng lọc bệnh nhân ung thư đại trực tràng, hoặc thậm chí là polyp, bằng cách sử dụng mẫu máu thay vì thủ thuật xâm lấn như nội soi.
Zhang và các cộng tác viên của cô cũng đã phát triển các phương pháp học máy để nghiên cứu cách thức mà các gen điều chỉnh lẫn nhau trên quy mô toàn bộ gen khi ung thư tiến triển. Hiểu cách các gen riêng lẻ thay đổi và tương tác với những gen khác là chìa khóa để điều trị ung thư.
Zhang cho biết: “Khi chúng tôi điều trị cho bệnh nhân bằng thuốc hóa trị ngay từ đầu, đôi khi họ đáp ứng nhưng cuối cùng họ ngừng đáp ứng. “Nếu bạn nhắm mục tiêu vào một gen, các tế bào ung thư có thể thích nghi và đi theo một con đường khác cho phép chúng tiếp tục phát triển. Nếu chúng ta có thể nhắm mục tiêu vào toàn bộ mạng lưới gen và thiết kế một liệu pháp kết hợp, thì không có cách nào để tế bào ung thư tồn tại. Các mạng lưới điều hòa gen nhân quả trên toàn bộ gen được xây dựng bằng các công cụ học máy mới được phát triển sẽ cung cấp nhiều mục tiêu cho sự phát triển các phương pháp trị liệu mới”.
Majid Kazemian của Purdue là một nhà khoa học máy tính được đào tạo, nhưng trợ lý giáo sư hóa sinh và khoa học máy tính sử dụng chuyên môn trong cả hai ngành để nghiên cứu ung thư. (Ảnh Đại học Purdue/Rebecca McElhoe) Tải xuống
Các nhà khoa học máy tính lên băng ghế phòng thí nghiệm
Majid Kazemian bắt đầu làm việc với tư cách là một nhà khoa học máy tính. Nhưng khi anh ấy bắt đầu làm việc để giúp phân tích dữ liệu nghiên cứu về ung thư, anh ấy đã tò mò về cách các mô hình của anh ấy hoạt động trong đời thực. Hiện là trợ lý giáo sư về hóa sinh và khoa học máy tính, phòng thí nghiệm ở Đại học Purdue của ông được chia đều giữa các nhà sinh vật học và nhà khoa học máy tính.
Kazemian cho biết: “Trong vài năm qua, lượng dữ liệu công khai về ung thư đã tăng theo cấp số nhân. “Chúng tôi đã tiến bộ để có thể nghiên cứu ung thư ở cấp độ tế bào, từng tế bào một. Bây giờ chúng ta có thể khai thác dữ liệu này để tìm các mẫu nhằm tạo ra các giả thuyết mới mà chúng ta chưa từng nghĩ đến trước đây. Sau đó, chúng ta có thể quay lại phòng thí nghiệm và kiểm tra các giả thuyết.”
Phương pháp này cho phép Kazemian và phòng thí nghiệm của ông mang lại sức sống mới cho một ý tưởng cũ: Điều gì sẽ xảy ra nếu họ có thể khiến hệ thống miễn dịch của chính bệnh nhân chống lại ung thư mà không cần thuốc hoặc liệu pháp có khả năng gây ra tác dụng phụ nghiêm trọng?
Một số bệnh ung thư đáng sợ nhất — bao gồm một số dạng ung thư cổ tử cung, ung thư gan, ung thư hạch không Hodgkin, ung thư dạ dày — là do vi-rút gây ra. Nhưng một khi vi-rút gây ung thư, thì ung thư sẽ vô hiệu hóa vi-rút để nó không còn gây hại nữa. Phòng thí nghiệm của Kazemian đang cố gắng sử dụng các phương pháp khoa học dữ liệu để tìm ra cách kích hoạt lại vi-rút trong tế bào sống, cảnh báo hệ thống miễn dịch của bệnh nhân ung thư và cho phép nó chống lại các tế bào ung thư tốt hơn — vũ khí hóa vi-rút thực sự gây ra vấn đề và của chính bệnh nhân cơ thể để đánh bại các bệnh ung thư.
Nhóm nghiên cứu cũng đang xem xét các cách khác để khai thác và tăng cường hệ thống miễn dịch của bệnh nhân để chống lại bệnh ung thư.
Kazemian cho biết: “Phần lớn thành công mà chúng ta đã thấy trong sinh học ung thư là một loạt các khái niệm liên quan đến liệu pháp miễn dịch, các loại thuốc có thể tự tăng cường hệ thống miễn dịch của bạn để chống lại ung thư.
Ý tưởng này không mới, nhưng cách tiếp cận này sẽ không thể thực hiện được nếu không có sự hợp tác giữa nghiên cứu ung thư và khoa học dữ liệu.
Nadia Lanman, trợ lý giáo sư nghiên cứu về sinh bệnh học so sánh tại Đại học Purdue, sử dụng chuyên môn máy học của mình để nghiên cứu và phân tích dữ liệu nghiên cứu ung thư. (Ảnh Đại học Purdue/John Underwood) Tải xuống
Cứu người bằng những con số
Nadia Lanman, một nhà khoa học khác đã bắt đầu làm việc với máy tính và các tập dữ liệu lớn và cuối cùng tập trung vào dữ liệu ung thư, là trợ lý giáo sư nghiên cứu về sinh bệnh học so sánh. Cô ấy sử dụng mạng siêu máy tính của Purdue để kích hoạt các dự án máy học giúp sắp xếp và phân tích dữ liệu. Cô ấy đang giúp các nhà khoa học phân tích dữ liệu theo những cách mới, cho phép họ hiểu sâu hơn về dữ liệu và những lộ trình tốt hơn về phía trước.
“Khi ai đó mắc bệnh ung thư, chúng tôi không biết họ sẽ phản ứng thế nào với các loại điều trị khác nhau và chúng tôi không biết họ sẽ bị bệnh như thế nào do các tác dụng phụ tiềm ẩn,” Lanman nói. “Nếu chúng ta có thể khám phá những điều này bằng cách sử dụng máy học và những bộ dữ liệu khổng lồ này, chúng ta có thể tưởng tượng ra một thế giới khi một bệnh nhân ung thư bước vào; chúng tôi có thể thu thập dữ liệu và sử dụng khoa học dữ liệu để giúp các bác sĩ ung thư đưa ra khuyến nghị.”
Lanman nhắc lại sứ mệnh của cô và sứ mệnh của trung tâm ung thư: thực hiện những khám phá sẽ xây dựng nền tảng cho các giải pháp ung thư sáng tạo. Cách chữa ung thư không phải ở lĩnh vực này hay lĩnh vực khác; đó là các chuyên gia từ tất cả các lĩnh vực làm việc cùng nhau bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tích và dữ liệu cập nhật nhất.
“Tôi yêu công việc tôi làm — mà chúng tôi làm — tại trung tâm ung thư,” Lanman nói. “Tôi thích việc chúng tôi đang thực sự cố gắng mỗi ngày để biến thế giới thành một nơi tốt đẹp hơn cho bệnh nhân.”
Giới thiệu về Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Đại học Purdue
Tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Đại học Purdue, nhiệm vụ của chúng tôi là khám phá cơ bản — khám phá là nền tảng cho các giải pháp ung thư sáng tạo. PCCR tận dụng thế mạnh của Purdue về kỹ thuật, thuốc thú y, khoa học dinh dưỡng, hóa học, hóa dược, dược phẩm, sinh học cấu trúc và khoa học sinh học để thiết lập cơ sở nền tảng của mình. Là một trung tâm ung thư do Viện Ung thư Quốc gia chỉ định, PCCR đang có những đóng góp đáng kể cho các công nghệ mới nổi, chẳng hạn như vắc-xin ung thư và hóa trị liệu kết hợp. Chúng tôi chuyên về nghiên cứu chuyển đổi để cứu mạng sống bằng cách chuyển các phát hiện trong phòng thí nghiệm thành các liệu pháp mới và sáng tạo nhanh nhất có thể. Nhiệm vụ của chúng tôi là khám phá. Mục tiêu của chúng tôi là chữa bệnh ung thư.
Về Đại học Purdue
Đại học Purdue là một tổ chức nghiên cứu công lập hàng đầu đang phát triển các giải pháp thiết thực cho những thách thức khó khăn nhất hiện nay. Được US News & World Report xếp hạng thứ 5 trong số các trường đại học sáng tạo nhất tại Hoa Kỳ, Purdue mang đến những nghiên cứu thay đổi thế giới và khám phá những điều phi thường. Cam kết thực hành và trực tuyến, học tập trong thế giới thực, Purdue cung cấp một nền giáo dục biến đổi cho tất cả mọi người. Cam kết về khả năng chi trả và khả năng tiếp cận, Purdue đã đóng băng học phí và hầu hết các khoản phí ở mức 2012-13, tạo điều kiện cho nhiều sinh viên hơn bao giờ hết tốt nghiệp mà không mắc nợ. Xem cách Purdue không ngừng theo đuổi bước nhảy vọt khổng lồ tiếp theo tại https://purdue.edu/.
Nhà văn, Truyền thông liên hệ: Brittany Steff, 765-494-7833, bsteff@purdue.edu
Nguồn: Andrew Mesecar, amesecar@purdue.edu
Min Zhang, minzhang@purdue.edu
Majid Kazemian, kazemian@purdue.edu
Nadia Lanman, natallah@purdue.edu
Các nhà báo đến thăm trường: Các nhà báo nên tuân theo các giao thức của Protect Purdue và các nguyên tắc sau:
- Khuôn viên mở cửa, nhưng số lượng người trong không gian có thể bị hạn chế. Chúng tôi sẽ cố gắng hết sức có thể, nhưng bạn có thể được yêu cầu bước ra ngoài hoặc báo cáo từ một địa điểm khác.
- Để cho phép truy cập, đặc biệt là vào các tòa nhà trong khuôn viên trường, chúng tôi khuyên bạn nên liên hệ với người liên hệ truyền thông của Dịch vụ Tin tức Purdue được liệt kê trên bản phát hành để cho họ biết bản chất của chuyến thăm và nơi bạn sẽ đến. Đại diện của Dịch vụ Tin tức có thể tạo điều kiện tiếp cận an toàn và có thể hộ tống bạn trong khuôn viên trường.
- Đeo khẩu trang đúng cách bên trong bất kỳ tòa nhà nào trong khuôn viên trường và đeo khẩu trang đúng cách ở ngoài trời khi không thể thực hiện giãn cách xã hội ít nhất sáu feet.
