Modellering av lungceller kan hjälpa till att personifiera strålbehandling – Physics World

Modellering av lungceller kan hjälpa till att personifiera strålbehandling – Physics World

Tidsstämpel: 12 mars 2024 5:30

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/modelling-lung-cells-could-help-personalize-radiotherapy-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/modelling-lung-cells-could-help-personalize-radiotherapy-physics-world-2.jpg" data-caption="Simulering av ett alveolärt segment Beräkningsmodell av alveolär vävnad bestående av 18 alveoler, de små luftsäckarna i lungorna. (Med tillstånd: ©University of Surrey/GSI). ">
Beräkningsmodell av alveolär vävnad
Simulering av ett alveolärt segment Beräkningsmodell av alveolär vävnad bestående av 18 alveoler, de små luftsäckarna i lungorna. (Med tillstånd: ©University of Surrey/GSI).

En ny typ av datormodell som kan avslöja strålskador på cellnivå kan förbättra strålbehandlingsresultaten för lungcancerpatienter.

Roman Bauer, en beräkningsneuroforskare vid University of Surrey i Storbritannien, i samarbete med Marco Durante och Nicolò Cogno från GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Tyskland skapade modellen, som simulerar hur strålning interagerar med lungorna på cell-för-cell-basis.

Över hälften av alla patienter med lungcancer behandlas med strålbehandling. Även om detta tillvägagångssätt är effektivt lämnar det upp till 30 % av mottagarna med strålningsinducerade skador. Dessa kan utlösa allvarliga tillstånd som påverkar andningen, såsom fibros – där slemhinnan i alveolerna (luftsäckarna) i lungorna förtjockas och stelnas – och pneumonit – när alveolernas väggar blir inflammerade.

För att begränsa strålskador på frisk vävnad samtidigt som cancerceller dödas, ges strålbehandling i flera separata "fraktioner". Detta gör att en högre – och därför mer effektiv – dos kan administreras totalt eftersom några av de skadade friska cellerna kan reparera sig själva mellan varje fraktion.

För närvarande väljs strålbehandlingsfraktioneringsscheman baserat på tidigare erfarenheter och generaliserade statistiska modeller, så de är inte optimerade för enskilda patienter. Däremot kunde personlig medicin uppnås tack vare denna nya modell som, som Durante, chef för Biofysikavdelningen vid GSI förklarar, tittar på "toxicitet i vävnader med början från de grundläggande cellulära reaktionerna och [kan] därför förutsäga vad som händer med vilken patient som helst" när olika fraktioneringsscheman väljs.

Teamet utvecklade en "agent-baserad" modell (ABM) bestående av separata interagerande enheter eller agenter - som i det här fallet efterliknar lungceller - i kombination med en Monte Carlo-simulator. ABM, som beskrivs i Kommunikationsmedicin, bygger en representation av ett alveolärt segment bestående av 18 alveoler vardera 260 µm i diameter. Därefter utförs Monte Carlo-simuleringar av bestrålning av dessa alveoler i mikroskopisk och nanoskopisk skala, och information om stråldosen som levereras till varje cell och dess fördelning matas tillbaka till ABM.

ABM använder denna information för att ta reda på om varje cell skulle leva eller dö, och matar ut de slutliga resultaten i form av en 3D-bild. Avgörande är att den kopplade modellen kan simulera tidens gång och på så sätt visa allvaret av strålskador – och progressionen av de medicinska tillstånd den kan orsaka – timmar, dagar, månader eller till och med år efter behandlingen.

"Vad jag tyckte var väldigt spännande är att dessa beräkningssimuleringar faktiskt gav resultat som matchade olika experimentella observationer från olika grupper, laboratorier och sjukhus. Så vår beräkningsmetod skulle i princip kunna användas inom en klinisk miljö, säger Bauer, talesperson för den internationella BioDynaMo-samarbete, som syftar till att föra in nya beräkningsmetoder i vården via mjukvarusviten som används för att bygga denna modell.

Bauer började arbeta på beräkningsbaserade cancermodeller efter att en nära vän dog av sjukdomen bara 34 år gammal. "Varje cancer är olika och alla människor är olika, med olika formade organ, genetiska anlag och livsstilar", förklarar han. Hans förhoppning är att information från skanningar, biopsier och andra tester skulle kunna matas in i den nya modellen för att ge en bild av varje individ. Ett AI-assisterat behandlingsprotokoll kan sedan skapas som skulle producera en noggrant skräddarsydd behandlingsplan som förbättrar patientens chanser att överleva.

Bauer söker för närvarande medarbetare från andra discipliner, inklusive fysik, för att hjälpa till att gå mot en klinisk prövning efter lungcancerpatienter under flera år. Samtidigt avser teamet att utöka användningen av modellen till andra medicinområden.

Durante, till exempel, hoppas kunna studera virusinfektion med denna lungmodell eftersom den "kan förutsäga lunginflammation inducerad av COVID-19-infektionen". Samtidigt har Bauer börjat simulera utvecklingen av kretsar i hjärnan hos för tidigt födda barn, med målet att bättre förstå "vid vilken tidpunkt man ska ingripa och hur".

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden