Доцент Мэтью Джонс занимается расшифровкой молекулярных процессов на генетическом, эпигенетическом уровнях и уровне микроокружения, чтобы предсказать, как и когда опухоли эволюционируют, становясь устойчивыми к лечению. 
Мэтью Джонс использует экспериментальные технологии и вычислительные методы для расшифровки молекулярных процессов, лежащих в основе эволюции опухолей, позволяющих им противостоять лечению, точно определяя, как и когда возникают агрессивные мутации. Джонс считает, что академические учреждения в первую очередь ориентированы на оказание услуг, стремясь улучшить результаты лечения пациентов и подготовить следующее поколение ученых. Фото: Бендта Шредер/Институт Коха
Подобно тому, как дарвиновские вьюрки эволюционировали в ответ на естественный отбор, чтобы выжить, клетки, составляющие раковую опухоль, аналогичным образом противостоят селективному давлению, чтобы выжить, эволюционировать и распространяться. Опухоли, по сути, представляют собой сложные наборы клеток со своей уникальной структурой и способностью к изменениям.
Сегодня инструменты искусственного интеллекта и машинного обучения предоставляют беспрецедентную возможность выявить общие закономерности, регулирующие прогрессирование опухолей на генетическом, эпигенетическом, метаболическом и микроэкологическом уровнях.
Мэтью Г. Джонс, доцент кафедры биологии Массачусетского технологического института, Института интегративных исследований рака имени Коха и Института медицинской инженерии и науки, надеется использовать вычислительные подходы для построения прогностических моделей — сыграть в шахматы с раком, осмыслив способность опухоли эволюционировать и сопротивляться лечению, с конечной целью улучшения результатов лечения пациентов. В этом интервью он рассказывает о своей текущей работе.
В: Какой аспект прогрессирования опухоли вы пытаетесь изучить и охарактеризовать?
А: Очень распространенная история с раком заключается в том, что пациенты сначала реагируют на терапию, а затем со временем лечение перестает действовать. В основном это происходит из-за невероятной и очень сложной способности опухолей к эволюции: способности изменять свой генетический состав, состав белковых сигнальных молекул и клеточную динамику. Опухоль как система также эволюционирует на структурном уровне. Часто причиной смерти пациента от опухоли является либо то, что опухоль эволюционировала до состояния, которое мы больше не можем контролировать, либо ее эволюция происходит непредсказуемым образом.
Во многих отношениях раковые заболевания можно рассматривать, с одной стороны, как невероятно неорганизованные и дезорганизованные процессы, а с другой — как обладающие собственной внутренней логикой, которая постоянно меняется. Центральный тезис нашей лаборатории заключается в том, что опухоли следуют стереотипным закономерностям в пространстве и времени, и мы надеемся использовать вычислительные и экспериментальные технологии для расшифровки молекулярных процессов, лежащих в основе этих преобразований.
Мы сосредоточены на одном конкретном способе эволюции опухолей, а именно на форме амплификации ДНК, называемой внехромосомной ДНК. Вырезанные из хромосомы, эти внехромосомные ДНК циклизуются и существуют в ядре в виде отдельного пула частиц ДНК.
Впервые обнаруженные в 1960-х годах, внеклеточные амплификации ДНК (ecDNA) считались редким явлением при раке. Однако, когда исследователи начали применять секвенирование нового поколения к большим группам пациентов в 2010-х годах, стало ясно, что эти амплификации ecDNA не только обеспечивают опухолям способность быстрее адаптироваться к стрессам и терапии, но и встречаются гораздо чаще, чем предполагалось изначально.
Теперь мы знаем, что эти амплификации внеклеточной ДНК обнаруживаются примерно в 25 процентах случаев рака, в наиболее агрессивных формах: раке головного мозга, легких и яичников. Мы обнаружили, что по ряду причин амплификации внеклеточной ДНК способны изменять правила эволюции опухолей таким образом, что позволяют им ускоряться до более агрессивной стадии заболевания весьма неожиданным образом.
В: Как вы используете машинное обучение и искусственный интеллект для изучения амплификации внеклеточной ДНК и эволюции опухолей?
А: Моя задача — использовать результаты моей работы в лаборатории для улучшения жизни пациентов. Я хочу начать с анализа данных о пациентах, чтобы выяснить, как различные эволюционные факторы влияют на развитие заболеваний и какие мутации мы наблюдаем.
Одним из инструментов, используемых для изучения эволюции опухолей, являются технологии отслеживания происхождения отдельных клеток. В общих чертах, они позволяют изучать происхождение отдельных клеток. При исследовании конкретной клетки мы не только знаем, как она выглядит, но и можем (в идеале) точно определить, когда в истории опухоли появились агрессивные мутации. Эта эволюционная история дает нам возможность изучать динамические процессы, которые мы иначе не смогли бы наблюдать в реальном времени, и помогает нам понять, как мы могли бы остановить эту эволюцию.
Я надеюсь, что мы сможем лучше классифицировать пациентов, которые будут реагировать на определенные препараты, предвидеть и преодолевать лекарственную устойчивость, а также выявлять новые терапевтические мишени.
В: Что вас привлекло в присоединении к сообществу MIT?
А: Меня очень привлекло сочетание передовых достижений в инженерных и биологических науках. В Институте Коха каждый этаж спроектирован таким образом, чтобы способствовать этому взаимодействию между инженерами и учеными-фундаменталистами, а за пределами кампуса мы можем взаимодействовать со всеми научно-исследовательскими предприятиями в области биомедицины в районе Большого Бостона.
Ещё одним фактором, который привлёк меня в MIT, стало то, что университет уделяет большое внимание образованию, подготовке кадров и инвестициям в успех студентов. Я лично считаю, что академические исследования отличаются от исследований в промышленности тем, что они по своей сути являются служением обществу, поскольку мы готовим следующее поколение учёных.
Моей главной задачей всегда было достижение совершенства как в вычислительных, так и в экспериментальных технологических дисциплинах. Я надеюсь привлечь стажеров, которые стремятся к сотрудничеству и решению масштабных задач, требующих применения знаний обеих дисциплин. Институт Коха (KI) уникально подходит для такого рода гибридных лабораторий: моя «сухая» лаборатория находится прямо рядом с моей «мокрой» лабораторией, и это является источником сотрудничества и взаимодействия, что отражает общую концепцию KI.
Источник: news.mit.edu
