Un factor importante en la lucha contra el cáncer es la velocidad a la que se puede identificar, diagnosticar y tratar la enfermedad.
El estándar actual implica que un paciente se siente enfermo o que un médico ve signos de un tumor. Estos indicadores conducen a diagnósticos más precisos mediante análisis de sangre, radiografías o imágenes de resonancia magnética. Pero una vez que la enfermedad está lo suficientemente avanzada como para ser notable, elel cáncer a menudo se ha diseminado
Sin embargo, en el futuro, puede ser posible diagnosticar el cáncer mucho antes utilizando escáneres corporales más sensibles, nuevos tipos de pruebas de biomarcadores e incluso nanosensores que funcionan en el torrente sanguíneo.
Experimentar con estas técnicas en pacientes con cáncer o individuos sanos es difícil y potencialmente poco ético. Pero los científicos pueden probar estas tecnologías virtualmente usando supercomputadoras para simular la dinámica de las células y los tejidos.
Construyendo un mejor sistema de detección temprana del cáncer de mama
Los exámenes manuales de los senos y las mamografías son actualmente las técnicas más eficaces y ampliamente utilizadas para la detección temprana del cáncer de seno. Desafortunadamente, los exámenes manuales de los senos tienen una capacidad limitada para detectar tumores, ya que solo producen información local sobre el sitio donde se aplica la fuerza.
Las mamografías radiografías de los senos, por otro lado, son más precisas, pero exponen a los pacientes a la radiación. Es importante destacar que no cuantifican la rigidez del tejido, una característica de identificación de los tumores de seno. También producen muchos falsos positivos, lo que resulta enbiopsias dolorosas.
Lorraine Olson, profesora de ingeniería mecánica en el Instituto de Tecnología Rose-Hulman, está colaborando con sus colegas Robert Throne de Ingeniería Eléctrica e Informática y Adam Nolte de Ingeniería Química para desarrollar un dispositivo electromecánico que sangra suavemente el tejido mamario en varios lugaresy registra las desviaciones de la superficie del tejido. Luego, estos datos se convierten en mapas tridimensionales detallados de la rigidez del tejido mamario, que luego se pueden utilizar para identificar sitios sospechosos más rígidos para realizar más pruebas.
"La investigación adopta un enfoque para la detección temprana del cáncer de seno que utiliza una diferencia mecánica fundamental entre el tejido canceroso y el no canceroso", dijo Olson. "Aunque esta diferencia de rigidez es la base de los exámenes manuales de seno, no se ha investigado sistemáticamente desdeun punto de vista de ingeniería "
El enfoque de Olson y su equipo para determinar la relación entre la rigidez y el mapeo interior implica una combinación de métodos de elementos finitos, un método numérico para resolver problemas en ingeniería y física matemática, y algoritmos genéticos, un método para resolver problemas de optimización basadosen selección natural.
Emparejados, pueden mapear la distribución de la rigidez en un tejido dado y usar sistemáticamente "conjeturas y comprobaciones" para encontrar qué mapa de rigidez del tejido modela mejor la respuesta que realmente ven en las pruebas.
El proceso involucra miles de estas "conjeturas" y, por lo tanto, requiere supercomputadoras poderosas como Stampede en el Texas Advanced Computing Center TACC, uno de los más poderosos del mundo.
Después de numerosos estudios de computadora, el equipo ha comenzado a validar experimentalmente este modelo utilizando fantasmas de tejido de gelatina similar a la gelatina con y sin "tumores" más rígidos. Han estado realizando experimentos de sangría para medir los desplazamientos de superficie en el tejido e identificarubicaciones de tumores. Presentaron su trabajo, que cuenta con el apoyo de la National Science Foundation, en el Simposio de problemas inversos 2016.
"Este sistema tiene el potencial de aumentar significativamente la detección temprana de cáncer de seno sin radiación innecesaria, esencialmente sin riesgo y con un bajo costo adicional", dijo Olson.
Diseño de lectores de ADN a nanoescala
La técnica electromecánica de Olson, Throne y Nolte funciona en la superficie del cuerpo, pero una clase emergente de sensores de nanoescala tiene como objetivo diagnosticar el cáncer desde el interior del cuerpo.
Los nanosensores deben ser pequeños y sensibles, dirigidos a biomarcadores específicos que puedan indicar la presencia de cáncer. También deben poder comunicar esa información a un observador externo. Los científicos y los autores de ciencia ficción han pronosticado durante mucho tiempo el aumento de nanosensores, pero solorecientemente se ha vuelto factible diseñar tales tecnologías.
Varios científicos han estado utilizando las supercomputadoras de TACC para investigar aspectos de este problema. Uno de esos investigadores es Aleksei Aksimentiev, profesor de física biológica en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign. Aksimentiev se enfoca en crear dispositivos de nanoporos de silicio que puedan secuenciarADN dentro del cuerpo para detectar los signos reveladores de cáncer u otras enfermedades.
Un nanoporo es esencialmente un pequeño agujero en una membrana muy delgada, a través del cual puede pasar una partícula aún más pequeña, como el ADN. Además de tener una forma precisa, debe ser capaz de atraer las moléculas correctas e inducirlas a pasarel poro para que puedan secuenciarse e identificarse genéticamente.
Escribiendo en ACS Nano en diciembre de 2016, Aksimentiev y el profesor de bioingeniería Li-Qun Andrew Gu del Centro de Investigación Cardiovascular Dalton de la Universidad de Missouri describieron los esfuerzos para detectar biomarcadores genéticos utilizando nanoporos y nanoportadores sintéticos. Los nanoportadores se unen selectivamente a las biomoléculas objetivo y aumentan su respuestaal gradiente de campo eléctrico generado por el nanoporo, esencialmente forzándolos a atravesar el agujero.
Los investigadores demostraron que los nanoportadores con carga moderada se pueden utilizar para detectar y capturar moléculas de ADN o ARN de cualquier longitud o estructura secundaria. Dichas tecnologías de detección molecular selectiva mejorarían en gran medida el análisis en tiempo real de muestras clínicas complejas para la detección del cáncer y otrasenfermedades
Aksimentiev utilizó la supercomputadora Stampede de TACC, así como Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación, para diseñar y probar virtualmente el comportamiento de estos sistemas de nanoporos.
"En el desarrollo de nanosensores, como el sensor de una sola molécula de nanoporos para el diagnóstico genético del cáncer, podemos descubrir experimentalmente varios fenómenos clínicamente útiles a escala nanométrica. Pero nuestro colaborador, el Dr. Aksimentiev, puede utilizar su poder computacional superior paraexcavar con precisión los mecanismos moleculares detrás de estas observaciones experimentales ", dijo Gu." Estos nuevos nanomecanismos pueden guiar el diseño de una nueva generación de sensores de nanoporos para el diagnóstico de cáncer basado en marcadores genéticos, que creemos que jugarán un papel importante en la precisiónoncología."
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud R01-GM079613, R01-GM114204. Los estudios de simulación condujeron al desarrollo de una patente, que se publicó en mayo de 2017.
Diagnóstico de biomarcadores en el torrente sanguíneo con un laboratorio microscópico en un chip
Los investigadores de la Universidad de Lamar, incluidos Tao Wei, Ian Lian y Yu-Hwa Lo, están explorando un enfoque diferente para el diagnóstico del cáncer a nanoescala. En lugar de nanoporos, están utilizando técnicas de laboratorio en un chip inventadas por el grupo de Lo quepuede reconocer fragmentos cortos de ácido nucleico, que actúan como biomarcadores de enfermedades, en el torrente sanguíneo.
La detección se basa en la hibridación de fragmentos de ácido nucleico injertados en la superficie del sustrato dentro de una gotita de evaporación. La hibridación ocurre cuando los ácidos nucleicos forman enlaces de hidrógeno. Este proceso está influenciado por la geometría molecular de los fragmentos de ácido nucleico que se autoorganizan espontáneamenteen una estructura ordenada en la superficie, también conocida como monocapas autoensamblables SAM.
La sensibilidad de dichos biochips depende del grado en que el material objetivo puede unirse a la superficie del biochip. Varios factores afectan los procesos de unión, incluida la estructura de la superficie de SAM, la fuerza iónica, la concentración de ADN objetivo ydensidad de empaque de superficie.
Wei y sus colaboradores utilizaron Stampede para realizar simulaciones de dinámica molecular y cálculos de energía libre para estudiar en detalle el proceso de hibridación de ADN.
"Nuestra contribución única es el uso de simulación atomística para diseñar la superficie y optimizar las condiciones para mejorar la eficiencia de la hibridación a fin de aumentar la resolución de detección", dijo Wei. "La investigación facilitará el desarrollo de nuevos biodispositivos basados en ácido nucleicohibridación."
El equipo presentó su trabajo en la Reunión Anual 2016 del Instituto Americano de Ingenieros Químicos y está trabajando para diseñar y probar sensores experimentales capaces de detectar biomarcadores de ácido nucleico.
Sensores que ingresan a los núcleos e informan sobre la reparación del ADN
Henry Herce, científico investigador del Instituto Politécnico Rensselaer actualmente en el Instituto del Cáncer Dana-Farber toma otro toque para resolver el problema de la detección del cáncer en las células vivas. Su investigación se centra en el desarrollo de moléculas que pueden ingresar al núcleo de una célulay se unen a una proteína específica allí conocida como el Antígeno Nuclear Celular Proliferante PCNA.
PCNA, apodado el "maestro del anillo del genoma", es una de las proteínas clave en la replicación y reparación del ADN. La replicación del ADN es esencial para la supervivencia, el crecimiento y la propagación del cáncer, por lo que es un objetivo intrigante para el etiquetado y la inhibición del tumor.
En una serie de publicaciones en el Revista de la Sociedad Americana de Química 2014 y Nucleus 2014 habilitados por Stampede, Herce y sus colaboradores describieron la creación de un péptido novedoso, una cadena de varios aminoácidos, que puede ingresar a las células de un organismo, separado de su molécula transportadora yse unen a PCNA. También descubrieron la naturaleza de las interacciones entre los péptidos y sus objetivos de PCNA en detalles atomísticos.
Finalmente, mostraron que tanto los sitios de replicación como los de reparación pueden marcarse directamente en las células vivas, el primer marcador peptídico permeable a las células para estos dos procesos fundamentales, e introdujeron un método de tinción de PCNA que hace que la molécula objetivo se iluminepueden evaluar su distribución.
Las simulaciones complementaron los resultados experimentales y ofrecieron información sobre cómo las modificaciones químicas del diseño del péptido pueden mejorar su eficiencia, aumentar su estabilidad y permitir el suministro intracelular.
"El descubrimiento representa una herramienta versátil para etiquetar instantáneamente los procesos de reparación y replicación en células fijas y vivas", dijo Herce. "En el futuro, podría conducir a una nueva herramienta para la detección temprana del cáncer".
Desde mejores sistemas de palpación, hasta nanodispositivos que ingresan al torrente sanguíneo, o incluso al núcleo de las células, y descubren signos de cáncer, están llegando nuevos sistemas de diagnóstico y las supercomputadoras están ayudando a los investigadores a diseñarlos.
"La informática avanzada es crítica para los aspectos de simulación y diseño de materiales de los dispositivos de diagnóstico", dijo Matt Vaughn, Director de Informática de Ciencias de la Vida de TACC. "Dado que los datos que surgen de estos dispositivos son casi siempre ruidosos, la informática avanzada y los algoritmos inteligentes puedenayudar a estratificar el ruido y aumentar la señal también, haciendo factibles nuevos diagnósticos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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