“Google Maps” per il cancro: il modello di computer basato su immagini rivela dettagli più precisi del flusso sanguigno del tumore

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I ricercatori della Johns Hopkins Medicine affermano di aver sviluppato qualcosa di simile all’approccio “Google Maps” per un calcolo e una visualizzazione più accurati dei cambiamenti strutturali e funzionali dei necessari per la crescita del tumore. Associando dati di imaging 3D di alta qualità di campioni tumorali a modelli animali con sofisticate formule matematiche, i ricercatori dicono che ora hanno un modello che rappresenta accuratamente il traffico sanguigno all’interno dei tumori, compreso il complesso flusso sanguigno, l’ossigenazione e i cambiamenti strutturali che si verificano.

Questo lavoro è stato pubblicato il 27 marzo su Nature Scientific Reports .

Arvind Pathak, Ph.D. , il leader dello studio, afferma che il progetto è nato dall’esigenza di affrontare le complessità della del nei tumori in crescita e in via di sviluppo. Vide la necessità di modelli predittivi migliori, poiché molti modelli esistenti impiegavano approssimazioni approssimative della complessa geometria dei vasi sanguigni di un tumore.

“Le scarse rappresentazioni del microambiente del tumore rendono i modelli e la ricerca basati su di essi meno precisi, quindi ho pensato, come posso utilizzare la mia esperienza di imaging per migliorare le informazioni a disposizione dei modellisti?” dice Pathak, professore associato di e ingegneria biomedica presso la Johns Hopkins University School of Medicine e membro del Johns Hopkins Kimmel Cancer Center.

Per creare un modello che riflettesse più precisamente la struttura e il comportamento dei tumori, il suo team di ricerca ha impiantato topi con di umano e ha esaminato i tumori risultanti utilizzando la microscopia a 3D e l’imaging micro-CT. Queste immagini 3D ad alta risoluzione hanno fornito informazioni dettagliate sul volume di un tumore e sulla struttura delle sue reti di vasi sanguigni.

Con la struttura del vaso sanguigno sottostante mappata, Pathak e il suo gruppo di ricerca perlustrarono la letteratura scientifica per trovare informazioni su come queste strutture si sarebbero probabilmente comportate in un sistema vivente. Nello specifico, hanno cercato studi che includevano misure della pressione sanguigna, del flusso sanguigno e del volume in vasi simili a quelli osservati nei loro tumori.

Usando queste informazioni, il gruppo ha collaborato con il Laboratorio di biologia dei sistemi di Aleksander Popel presso il Dipartimento di ingegneria biomedica presso la Scuola di della Johns Hopkins University per sviluppare una serie di formule matematiche progettate per rappresentare questi aspetti dei tumori. Lo hanno fatto combinando i dati degli studi pubblicati in precedenza con le informazioni raccolte.

“Il modello basato su immagini comprende migliaia di punti dati sul flusso ematico previsto e l’ossigenazione intravascolare in tutti i tumori”, dice Pathak.

La prossima sfida per il gruppo è stata quella di rendere le informazioni che raccoglievano facilmente da vedere e capire, in modo che le mappe geografiche basate sul web possano essere facilmente viste e sovrapposte a diversi tipi di informazioni utili come il tempo di viaggio, l’attività del traffico, le deviazioni e velocità media.

“Dovevamo creare un modo completamente nuovo di rappresentare le informazioni che avevamo generato in modo che risultassero significative e non travolgenti per coloro che hanno bisogno di comprenderle e usarle”, afferma Pathak.

Per fare ciò, Pathak ha reclutato Akanksha Bhargava, Ph.D., ingegnere meccanico e borsista postdottorato nel Systems Biology Laboratory, per costruire sui modelli matematici stabiliti da Spyros Stamatelos, Ph.D. “Abbiamo analizzato i diversi modi per sovrapporre i risultati della modellazione alla geometria del vaso sanguigno sottostante senza compromettere la complessità e la ricchezza dei dati”, afferma Bhargava.

Il risultato, dice, era una rappresentazione 3D della rete dei vasi sanguigni di ciascun tumore con una mappa codificata a colori dei movimenti del sangue simili a quelli del traffico attraverso i vasi che la alimentano. “Sembrava molto simile a Google Maps”, afferma Pathak, “I segmenti dei vasi sanguigni sono le strade e il flusso di sangue in ogni segmento è analogo al traffico lungo ogni strada.” E come le applicazioni di mappatura, dice, il modello offre ai ricercatori una rappresentazione più accurata di ciò che sta accadendo all’interno di un tumore in un dato momento, aggiunge Pathak. Queste visualizzazioni avvincenti hanno già attirato l’attenzione della comunità scientifica e sono state descritte come ” l’immagine biomedica del giorno ” dal MRC London Institute of Medical Sciences.

Pathak dice che il team progetta di rendere queste immagini liberamente disponibili alla comunità scientifica per scopi di ricerca. Il modello può essere reso interattivo, in modo che gli utenti possano modificare parametri come la larghezza dei vasi sanguigni per osservare l’effetto sul flusso sanguigno e l’erogazione di farmaci o altri trattamenti sul tumore.

Gli investigatori avvertono che l’approccio non è ancora direttamente applicabile ai tumori umani. Ma, come afferma Pathak, “poiché la nostra capacità di ottenere immagini ad alta risoluzione nella clinica migliora, ci auguriamo che questo strumento possa essere adattato per fornire un metodo non invasivo per prevedere il comportamento del cancro di un singolo paziente e personalizzare la terapia.”

Al momento, il modello dovrebbe essere utile a bioingegneri e biologi del cancro per studiare più facilmente gli aspetti della biologia tumorale “in silico”, nonché condurre test per potenziali .

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Altri ricercatori coinvolti in questo studio includono Eugene Kim della Johns Hopkins University School of Medicine.

Questo lavoro è stato sostenuto dal (1R01CA196701, 1R21CA175784, 5R01CA138264).

Gli autori non dichiarano alcun interesse in competizione.