研究人员使用超级计算机设计和测试用于癌症检测的新工具

对抗癌症的一个重要因素是疾病被发现、诊断和治疗的速度。

目前的标准是病人感觉不舒服或者医生看到肿瘤的迹象。这些指标可以通过血液检查、x光或核磁共振成像作出更精确的诊断。但一旦疾病发展到可以被察觉的程度癌症经常传播。

不过，在未来，使用更灵敏的身体扫描、新型的生物标志物测试，甚至在血液中工作的纳米传感器，就有可能更早地诊断癌症。

在癌症患者或健康人身上试验这些技术是困难的，而且可能是不道德的。但是科学家们可以使用超级计算机模拟细胞和组织的动态来测试这些技术。

建立一个更好的乳腺癌早期检测系统

手工乳房检查和乳房x光检查是目前最有效和应用最广泛的技术早期检测的乳腺癌。不幸的是，手工的乳房检查在检测肿瘤的能力上是有限的，因为它们只能产生关于受力部位的局部信息。

另一方面，乳房x光检查更准确，但会使患者暴露在辐射中。重要的是，他们没有量化组织硬度，一种鉴别乳腺肿瘤的特征。它们也会产生许多假阳性，导致痛苦的活组织检查。

洛林·奥尔森是罗斯-胡尔曼理工学院的机械工程教授，正在与电气与计算机工程的罗伯特·罗伦和化学工程的亚当·诺尔特合作开发一种机电设备，这种设备可以在不同的位置轻轻挤压乳房组织，并记录组织表面的偏移。然后，这些数据被转换成详细的乳腺组织硬度三维图，然后可以用来识别可疑(硬度)部位，以便进行进一步的测试。

奥尔森说:“这项研究采用了一种早期检测乳腺癌的方法，利用了癌组织和非癌组织之间的基本机械区别。”“尽管这种硬度差异是手工乳房检查的基础，但从工程角度来看，它还没有得到系统的研究。”

Olson和她的团队确定刚度和内部映射之间关系的方法涉及到有限元法(一种解决工程和数学物理问题的数值方法)和遗传算法(一种解决基于自然选择的优化问题的方法)的组合。

它们在一起，它们可以在给定的组织中映射刚度的分布，并系统地使用“猜测和检查”，找到哪种组织刚度图最佳模型它们实际在测试中实际看到的响应。

这个过程涉及成千上万个这样的“猜测”，因此需要强大的超级计算机，比如踩踏事件在德克萨斯高级计算中心(TACC)，世界上最强大的计算中心之一。

在众多计算机研究之后，该团队已经开始使用明胶组织幽灵（类似于JELL-O）进行实验验证该模型，其中没有更易于“肿瘤”。它们一直在运行压痕实验，以测量组织上的表面位移并鉴定肿瘤位置。他们介绍了他们的工作，这些工作得到了国家科学基金会的支持2016逆问题研讨会。

奥尔森说:“该系统具有显著提高乳腺癌早期发现率的潜力，无需不必要的辐射，基本上没有风险，而且几乎没有额外的成本。”

设计纳米dna-readers

奥尔森、王座和诺尔特的机电技术工作在身体表面，但一种新兴的纳米级传感器旨在从身体内部诊断癌症。

纳米传感器必须小而灵敏，瞄准可能表明癌症存在的特定生物标记物。他们还必须能够将信息传达给外部观察者。科学家和科幻作家早就预言纳米传感器将会出现，但直到最近才有可能设计出这样的技术。

许多科学家一直在使用TACC的超级计算机来研究这个问题的各个方面。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois, Urbana-Champaign)的生物物理学教授阿列克谢·阿克西门提夫(Aleksei Aksimentiev)就是这样一位研究人员。Aksimentiev专注于制造硅纳米孔设备，这种设备可以对人体内的DNA进行测序，从而检测出癌症或其他疾病的迹象。

纳米孔本质上是一种非常薄的薄膜上的小孔，更小的粒子，比如DNA，可以通过它。除了形状精确之外，它还必须能够吸引正确的分子，并诱导它们通过小孔，这样它们就可以进行基因测序和识别。

写在ACS Nano2016年12月，Aksimentiev和密苏里大学道尔顿心血管研究中心的生物工程教授Li-Qun (Andrew) Gu描述了利用纳米孔和合成纳米载体检测遗传生物标志物的努力。纳米载体选择性地与目标生物分子结合，并增强它们对纳米孔产生的电场梯度的响应，本质上迫使它们通过孔。

研究人员发现，适度带电的纳米载体可用于检测和捕获任何长度或二级结构的DNA或RNA分子。这样的选择性、分子检测技术将大大提高复杂临床样本的实时分析癌症检测和其他疾病。

Aksimentiev使用TACC的Stampede超级计算机，以及国家超级计算应用中心的Blue Waters，设计并虚拟测试这些纳米孔系统的行为。

“在纳米传感器的开发中，例如用于癌症基因诊断的纳米孔单分子传感器，我们可以通过实验发现纳米尺度的各种临床有用现象。但我们的合作者，Aksimentiev博士可以利用他们优越的计算能力，精确地挖掘出这些实验观察背后的分子机制，”Gu说。“这些新的纳米机制可以指导新一代基于基因标记的癌症诊断纳米孔传感器的设计，我们相信这将在精准肿瘤学中发挥重要作用。”

（这项工作得到了国家健康机构的补助金（R01-GM079613，R01-GM114204）。模拟研究导致了发表的专利的开发2017年5月。)

用显微镜实验室芯片诊断血液中的生物标志物

Lamar University的研究人员，包括陶伟，IAN LIAN和YU-HWA LO，正在探索纳米级癌症诊断的不同方法。它们代替纳米孔，它们使用LO的芯片技术来发明，其可以识别短核酸片段 - 其作为血液中的疾病的生物标志物。

检测基于蒸发液滴内接枝在基材表面上的核酸片段的杂交。当核酸形成氢键时发生杂交。该方法受到在表面上自发地自组织成有序结构的核酸片段的分子几何的影响，也称为自组装单层（SAMS）。

这种生物芯片的灵敏度取决于目标材料与生物芯片表面的结合程度。影响SAMs结合过程的因素有很多，包括SAMs表面的结构、离子强度、靶DNA浓度和表面堆积密度。

Wei和他的合作者使用Stampede进行分子动力学模拟和自由能计算来详细研究DNA杂交过程。

“我们的独特贡献是使用原子模拟来设计表面和优化条件，以提高杂化效率，以提高检测分辨率，”魏说。“这项研究将促进基于核酸杂交的新型生物设备的发展。”

这个小组在会上介绍了他们的工作2016年美国化学工程研究院年会正在设计和测试能够检测核酸生物标志物的实验传感器。

进入细胞核并报告dna修复的传感器

伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute，现就职于Dana-Farber Cancer Institute)的研究科学家亨利·赫切(Henry Herce)采用了另一种方法来解决活细胞中检测癌症的问题。他的研究重点是开发能够进入细胞核并与增殖细胞核抗原(PCNA)这种特定蛋白质结合的分子。

PCNA被称为“基因组的环主”，是DNA复制和修复的关键蛋白质之一。DNA复制对癌症的生存、生长和扩散至关重要，使其成为肿瘤标记和抑制的有趣靶点。

在一系列的出版物中美国化学学会杂志（2014）和核(2014)在Stampede的支持下，Herce和他的合作者描述了一种新型肽的创造——一种由几种氨基酸组成的链——它可以进入生物体的细胞，从载体分子中分离出来，并与PCNA结合。他们还在原子细节上揭示了肽和PCNA靶标之间相互作用的本质。

最后，他们发现复制和修复位点都可以在活细胞中直接标记——这是这两种基本过程的第一个细胞透性肽标记——并介绍了一种PCNA染色方法，可以使目标分子发光，以便他们可以评估其分布。

模拟补充了实验结果，并提供了对肽设计的化学修饰如何提高其效率，增加其稳定性，并允许细胞内传递的见解。

Herce说:“这一发现代表了一种多功能工具，可以即时标记固定和活细胞中的修复和复制过程。”“今后，它可能会带来一种早期癌症检测的新工具。”

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