对抗癌症的一个重要因素是疾病的识别、诊断和治疗速度。

　　目前的标准包括病人感觉不舒服或医生看到肿瘤的迹象。这些指标可以通过血液检查、x光或核磁共振成像进行更精确的诊断。但是，一旦疾病发展到足以引起注意的程度，癌症通常就会扩散。

　　然而，在未来，使用更灵敏的身体扫描、新型生物标志物测试，甚至是在血液中工作的纳米传感器，可能会更早地诊断出癌症。

　　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。

　　建立更好的乳腺癌早期检测系统

　　人工乳房检查和乳房x光检查是目前早期发现乳腺癌最有效和最广泛使用的技术。不幸的是，人工乳房检查在检测肿瘤的能力上是有限的，因为它们只能产生有关施加力的部位的局部信息。

　　另一方面，乳房x光检查更准确，但会使患者暴露在辐射下。重要的是，他们没有量化组织硬度，这是乳腺肿瘤的一个识别特征。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-霍尔曼理工学院的机械工程学教授，她正与电子与计算机工程系的罗伯特·桑恩和化学工程系的亚当·诺尔特合作开发一种机电设备，这种设备可以轻轻地在乳房组织的不同位置压痕，并记录组织表面的偏转。然后，这些数据被转换成详细的乳房组织僵硬度的三维地图，然后可以用来识别可疑的(更僵硬的)部位，以进行进一步的测试。

　　奥尔森说:“这项研究采用了一种早期检测乳腺癌的方法，利用了癌变组织和非癌变组织之间的基本机械差异。”“尽管这种刚度差异是人工乳房检查的基础，但还没有从工程学的角度对其进行系统的研究。”

　　Olson和她的团队确定刚度和内部映射之间关系的方法包括有限元方法(解决工程和数学物理问题的数值方法)和遗传算法(解决基于自然选择的优化问题的方法)的结合。

　　配对在一起，他们可以绘制出给定组织的刚度分布图，并系统地使用“猜测和检查”来找到哪种组织刚度分布图最能反映他们在测试中实际看到的反应。

　　这个过程涉及数千个这样的“猜测”，因此需要强大的超级计算机，比如得克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampede，这是世界上最强大的计算机之一。

　　经过大量的计算机研究，研究小组已经开始实验验证这个模型，使用明胶组织模型(类似于果冻)，有或没有更硬的“肿瘤”。他们一直在进行压痕实验，以测量组织表面的位移并确定肿瘤位置。他们在2016年反问题研讨会上展示了他们的工作，这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。

　　奥尔森说:“这个系统有可能显著提高乳腺癌的早期检测，没有不必要的辐射，基本上没有风险，而且几乎没有额外的费用。”

　　设计纳米级dna读取器

　　奥尔森、王座和诺尔特的机电技术在身体表面工作，但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，针对可能指示癌症存在的特定生物标志物。他们还必须能够将这些信息传达给外部观察者。科学家和科幻作家早就预言了纳米传感器的兴起，但直到最近，设计这种技术才变得可行。

　　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-香槟分校的生物物理学教授阿列克谢·阿克西门耶夫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，以检测癌症或其他疾病的迹象。

　　纳米孔本质上是非常薄的膜上的一个小洞，更小的粒子，比如DNA，可以通过。除了精确的形状外，它还必须能够吸引正确的分子并诱导它们通过孔，以便对它们进行基因测序和识别。

　　2016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在ACS Nano上发表文章，描述了使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，并增加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。

　　研究人员表明，适度带电的纳米载体可以用来检测和捕获任何长度或二级结构的DNA或RNA分子。这种选择性的分子检测技术将大大提高对复杂临床样品的实时分析，用于癌症和其他疾病的检测。

　　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来设计和虚拟测试这些纳米孔系统的行为。

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　　“在纳米传感器的开发过程中，例如用于癌症基因诊断的纳米孔单分子传感器，我们可以在纳米尺度上通过实验发现各种临床有用的现象。但我们的合作者Aksimentiev博士可以利用他们卓越的计算能力，准确地挖掘出这些实验观察背后的分子机制。”“这些新的纳米机制可以指导新一代纳米孔传感器的设计，用于基于遗传标记的癌症诊断，我们相信这将在精确肿瘤学中发挥重要作用。”

　　(这项工作由美国国立卫生研究院资助(R01-GM079613, R01-GM114204)。模拟研究导致了一项专利的开发，该专利于2017年5月发布。)

　　用微型芯片实验室诊断血液中的生物标志物

　　来自拉马尔大学的研究人员，包括Tao Wei、Ian Lian和Yu-Hwa Lo，正在探索一种不同的纳米级癌症诊断方法。他们使用Lo的团队发明的芯片实验室技术来代替纳米孔，这种技术可以识别血液中的短核酸片段——作为疾病的生物标志物。

　　检测基于接枝在蒸发液滴内的底物表面上的核酸片段的杂交。杂化发生在核酸形成氢键的时候。这一过程受到核酸片段的分子几何形状的影响，这些片段在表面上自发地自组织成有序结构，也称为自组装单层(sam)。

　　这种生物芯片的灵敏度取决于目标材料能与生物芯片表面结合的程度。影响结合过程的因素很多，包括SAMs表面结构、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，以详细研究DNA杂交过程。

　　“我们的独特贡献是使用原子模拟来设计表面并优化条件，以提高杂交效率，从而提高检测分辨率，”魏说。“这项研究将促进以核酸杂交为基础的新型生物设备的开发。”

　　该团队在2016年美国化学工程师学会年会上展示了他们的工作，并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(目前在丹娜-法伯癌症研究所)的研究科学家Henry Herce采取了另一种策略来解决在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的分子，并与一种被称为增殖细胞核抗原(PCNA)的特定蛋白质结合。

　　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Stampede的支持下，Herce和他的合作者在《美国化学学会杂志》(2014)和《原子核》(2014)上发表了一系列文章，描述了一种新型肽的创造——一种由几个氨基酸组成的链——它可以进入生物体的细胞，与载体分子分离，并与PCNA结合。他们还揭示了多肽和它们的PCNA靶点之间相互作用的原子细节的本质。

　　最后，他们证明了复制和修复位点都可以在活细胞中直接标记——这是这两个基本过程的第一个细胞渗透性肽标记——并引入了一种PCNA染色方法，该方法可以使目标分子发光，这样他们就可以评估其分布。

　　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递送的见解。

　　Herce说:“这一发现代表了一种多功能工具，可以在固定细胞和活细胞中即时标记修复和复制过程。”“未来，它可能会成为早期癌症检测的新工具。”

　　从更好的触诊系统，到进入血液甚至细胞核的纳米设备，发现癌症的迹象，新的诊断系统正在出现，超级计算机正在帮助研究人员设计它们。

　　TACC生命科学计算主管Matt Vaughn表示:“先进的计算对于诊断设备的模拟和材料设计至关重要。“由于这些设备产生的数据几乎总是有噪声的，先进的计算和聪明的算法可以帮助分层噪声并增强信号，从而使新的诊断变得可行。”

　　来源:https://www.tacc.utexas.edu/-/more-precise-diagnostics-for-better-cancer-outcomes