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Um pesquisador da Universidade de Indiana em Bloomington irá coliderar uma doação de US$ 4 milhões do Instituto Nacional do Câncer do Instituto Nacional de Saúde para expandir o acesso a ferramentas de biologia computacional para conduzir simulações em busca de novas terapias contra o câncer, bem como modelar outros processos biológicos.
Paulo Macklin. Foto de James Brosher, Universidade de Indiana
Paul Macklin, professor associado da Escola de Informática, Computação e Engenharia Luddy da IU em Bloomington, é o principal pesquisador premiado pelo programa de Tecnologia de Informática para Pesquisa do Câncer do NCI, que desenvolve ferramentas e recursos essenciais para melhorar a aquisição, análise, visualização e interpretação de dados em todo o espectro da pesquisa do câncer.
Com o suporte dos recursos de computação de alto desempenho da IU, Macklin e colaboradores trabalharão para integrar duas poderosas ferramentas de pesquisa em uma única plataforma baseada em nuvem, aberta a pesquisadores de câncer em todo o país e no mundo.
A primeira ferramenta é o PhysiCell, um sistema de “modelagem baseada em agentes” desenvolvido pelo laboratório de Macklin para simular como as células crescem, migram e se comunicam no câncer e na doença. Nos últimos anos, o PhysiCell tem sido usado para investigar câncer de mama, câncer colorretal e câncer pancreático, bem como metabolismo do câncer e imunoterapia.
A outra ferramenta, CoGAPS, é liderada pela colíder de subsídios Elana Fertig, diretora entrante do Institute for Genome Sciences da University of Maryland. O CoGAPS analisa dados genômicos em larga escala — incluindo “transcriptômica espacial” ou sequenciamento de genes que captura as posições físicas das células — para descobrir identidades, comportamentos e interações celulares em amostras de tecido. O software então usa esses dados para gerar regras para uso em simulações no PhysiCell.
A integração desses sistemas produzirá uma ferramenta que pode criar rapidamente simulações de modelagem baseadas em agentes com base em dados de transcriptômica espacial. Os pesquisadores podem aplicar essas simulações para entender como as mudanças nos sistemas biológicos — como estágio do câncer ou terapias — impactam as células cancerígenas.
“O PhysiCell permite modelagem intuitiva baseada em agentes: os cientistas ‘codificam’ seu conhecimento de biologia celular como regras celulares que estipulam como os sinais celulares conduzem mudanças nos comportamentos celulares, como ciclo celular, morte, migração, secreção ou fagocitose”, disse Macklin.
“No entanto, atualmente é difícil conectar quantitativamente essas regras a dados de transcriptômica espacial e de célula única. Este projeto permitirá que a modelagem baseada em agentes alcance seu potencial.”
Por exemplo, um pesquisador pode usar o sistema para construir rapidamente um modelo virtual do câncer de pâncreas de um paciente real e, então, simular milhares de possíveis compostos medicamentosos para prever quais podem ter um efeito terapêutico.
O poder da biologia computacional é a capacidade de executar milhares de experimentos virtuais em pacientes simulados para compreender a eficácia e a segurança potenciais de um composto sem nenhum risco para o paciente, disse Macklin.
O projeto também é um marco importante no desenvolvimento do PhysiCell. Após anos avançando o sistema para resolver desafios específicos na pesquisa do câncer, os pesquisadores da IU agora podem se concentrar em refinar a usabilidade e a flexibilidade da ferramenta em suporte à infraestrutura nacional de análise de dados de pesquisa do câncer.
Macklin disse que o PhysiCell já cresceu significativamente em usabilidade, observando que muitas melhorias decorrem do trabalho de alunos de graduação e pós-graduação no Laboratório de Matemática do Câncer da IU ou em seus cursos.
Por exemplo, uma atualização recente do sistema introduziu uma “nova gramática de comportamento celular”: uma linguagem de programação simplificada para ajudar cientistas a construir sistemas biológicos simulados sem código tradicional.
Atualmente, o PhysiCell tem centenas de usuários em todo o mundo. Não é incomum aprender sobre outros usando suas ferramentas por meio de citações em artigos de pesquisa, disse Macklin.
“Na maioria das vezes, nunca sabemos que as pessoas estão usando o PhysiCell até vermos a citação”, ele disse. “É muito gratificante, pois significa que criamos algo útil o suficiente para que não nos chamem para suporte técnico.”
O novo subsídio apoiará não apenas o desenvolvimento adicional das ferramentas, mas também a extensão e o treinamento contínuos, como hack-a-thons virtuais e tutoriais no YouTube.
Além do desempenho aprimorado, Macklin disse que o uso do PhysiCell cresceu entre os cientistas devido ao seu forte foco na redução dos “pontos problemáticos” na biologia computacional.
“A ciência da computação tende a dar muita ênfase ao lado do desempenho”, ele disse. “No entanto, se você olhar para todo o cronograma necessário para fazer biologia computacional — não apenas a velocidade da simulação, mas também o tempo para treinar em um sistema e converter experimentos em código — então você não está realmente economizando muito tempo. Acelerar as simulações foca na menor parte do problema.”
Por outro lado, se as ferramentas forem mais fáceis de usar — com ambientes de baixo código, interfaces gráficas de usuário e documentação sólida — então “você está realmente começando a reduzir a quantidade de tempo necessária para resolver grandes problemas em biologia”, disse ele.
Robert Quick do Pervasive Technology Institute da IU também é um co-investigador da bolsa. A equipe trabalha com uma ampla rede de colaboradores na IU, Johns Hopkins University, Oregon Health and Science University e University of Maryland em Baltimore.
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