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美科学家开发首个实体瘤模型助力癌症研究

数学模型是阐明癌症生长和进化最强大的工具,然而多年来它们一直面对着一种“非此即彼”的缺陷。尽管已有一些模型被开发出来捕捉肿瘤的空间方面,这些模型通常不能研究遗传改变。而非空间模型虽能够更准确地描述肿瘤的进化,却不能阐明它们的三维结构。


现在来自哈佛大学、爱丁堡大学和约翰霍普金斯大学的研究人员展开合作,开发出了可以反映三维形状和遗传进化的首个实体瘤模型。这一新模型解释了癌细胞通常具有惊人数量遗传突变的原因,以及驱动突变散布到整个肿瘤和进化出耐药性的机制。这一研究发表在8月26日的《自然》(Nature)杂志上。


哈佛大学进化动力学项目主任、数学与生物学教授Martin Nowak说:“以往,我们和其他人主要是采用非空间模型来研究癌症进化。但这些模型不能描述出实体瘤的空间特征。现在第一次我们获得了一个可以做到这一点的计算模型。”


Nowak说,这一新模型提供了有关癌细胞局部迁移能力的重要见解。“细胞迁移使得癌症快速生长,它使得癌症同质因而癌细胞共享了一组相同的突变。它导致了快速进化出耐药性。并且我认为能够形成转移灶是选择局部迁移的结果。”


由于过去的模型无法解答有关遗传进化空间结构的关键问题,Nowak和同事们着手改进了这些模型。 Nowak说:“过去大多数的数学模型计算的都是具有特异突变的细胞数量,而非它们的空间排列。了解空间结构非常重要,因为它在肿瘤的生长和进化中发挥了关键的作用。


在一个空间模型中,细胞只有在有空间进行分裂时才会这样做。这会导致生长缓慢,除非细胞可以局部迁移。


Nowak说:”通过赋予细胞局部迁移能力,单个细胞随时可以找到它们进行分裂的新空间。“ 结果不仅是能让肿瘤更快地生长,这一模型还帮助解释了癌细胞共享异常高数量遗传突变的原因,及肿瘤中耐药性快速进化的机制。


Nowak说,当他们进行分裂之时,所有健康和癌变的细胞都会累积突变,大多数都是对细胞影响甚微的、所谓的”乘客“突变。 在癌细胞中,大约5%的突变是科学家们所谓的”驱动突变“——这些突变使得细胞能够更快速的分裂或活得更久一些。除了快速的肿瘤生长,这些突变还带来了细胞中以往的一些乘客突变,因此癌细胞通常具有惊人数量的相同突变。


同样的,当细胞发生突变对一种特殊治疗产生耐受时便出现了耐药性。在靶向性疗法消灭掉几乎所有其他细胞时,少数耐药细胞开始快速增殖,导致了癌症复发。


Nowak说:”这种迁移能力可帮助解释驱动突变是如何支配肿瘤的,以及随着耐药的产生在几个月内靶向性疗法失效的原因。由此我们获得了一个实体瘤计算机模型,这种局部迁移至关重要。“论文的第一作者、爱丁堡大学的Bartek Waclaw说:”我们的方法并非是提供治疗癌症的灵丹妙药。但它提出了一些改善癌症治疗的可能的途经。其中一个就是靶向细胞的移动(局部迁移)而非如标准疗法那样只靶向细胞的生长。


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