Informační technologie ve výzkumu nádorových onemocnění

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 25. prosinec 2007

Napsal Markéta Polášková

Do výzkumu se velkou měrou zapojují také informační technologie, protože počítačové zpracování shromážděných dat biologům nejen ulehčí a zrychlí práci, ale dají se pomocí něj nalézt nové zákonitosti a poznatky, které by odhalit jinak bylo nemožné nebo velice obtížné.

Počítačové zpracování obrazu je velice perspektivní obor, a tak není divu, že existují celé pracovní skupiny, které se jím zabývají. Na Vysokém učení technickém v Brně působí taková skupina například na Ústavu počítačové grafiky a multimédií Fakulty informačních technologií. V současné době mimo jiné řeší rozsáhlý interdisciplinární projekt týkající se včasné diagnostiky nádorových onemocnění. Samotní výzkumníci svůj projekt zkráceně nazývají Biomarker – v medicíně se tímto pojmem označuji příznaky, pomocí kterých lze odhalit konkrétní onemocnění. K vyhodnocení takových příznaků nejčastěji slouží  právě metody počítačového zpracování obrazu.

Biomarker je z časového i finančního hlediska velký projekt. Zajímavý je mj. tím, že se jej přímo účastní průmyslový partner – firma Camea, s.r.o. – vkládající do výzkumu vlastní prostředky. To není v českých podmínkách dosud běžné. Pracovníci a studenti VUT, kteří se na řešení projektu podílí, spolupracují s odborníky z Masarykovy univerzity, která je nositelem projektu.

Tým z VUT se v rámci projektu soustředí na tři hlavní oblasti: simulaci optických vad, hardwarovou akceleraci výpočtů a interpretaci dat z biočipů.

Simulace optických vad

Nacházet nové poznatky související se vznikem a průběhem nádorového onemocnění znamená zkoumat samotné buňky až na molekulární úrovni. Přestože je stavba buňky v obecné rovině známa, detailní strukturu a děje, které v buňkách probíhají, se dosud nepodařilo přesně popsat. Cílem první části projektu Biomarker je tedy studium 3D struktury buňky a zkoumání, jaký vliv mají případné změny ve struktuře na vznik onemocnění.



Výzkum začíná u biologů, kteří nasnímají určitý vzorek pomocí konfokálního fluorescenčního mikroskopu (preparát bývá chemicky obarven fluorescenčními barvami). Konfokální mikroskop obsahuje speciální optiku, pomocí které je možné získat obraz pro konkrétní rovinu zaostření a částečně odfiltrovat roviny jiné. Postupně se takto nasnímají jednotlivé vrstvy obrazu. Pak už přicházejí na řadu informační technologie. Sejmuté obrázky nejsou totiž nikdy dokonale ostré, vždy dojde k prostorovému rozmazání. Úkolem informatiků tedy je nejdříve odstranit takto vzniklé neostrosti a poté složit všechny sejmuté roviny do jednoho 3D obrazu. Jak bylo uvedeno, řešení je o to složitější, že přesná struktura buňky není známa, a neexistuje tedy obecně žádný vzor, kterého by se bylo možné při skládání nasnímaných obrázků držet.

Hardwarová akcelerace výpočtů

Pro získání 3D struktury jednoho vzorku je potřeba sejmout několik desítek 2D obrázků, tedy zaostřit postupně mikroskop do jednotlivých rovin a ty následně složit. Samotné zpracování obrazu je časově velice náročné, proto je snaha všechny výpočetní algoritmy urychlit. Existují dvě možnosti, jak to provést – buď použít více konvenčních procesorů, známých např. z dnešních PC, nebo zapojit specializovaný hardware. Druhá možnost, která byla také v rámci projektu Biomarker vybrána, nabízí řadu výhod, zejména pokud se zaměříme na oblast programovatelného hardware. Ten se v současné době vyrábí v různých formách, nejrozšířenější jsou ale tzv. programovatelná hradlová pole (FPGA – field programmable gate array). Hradlové pole obsahuje řadu výpočetních a registrových prvků, které je možné různě propojovat. Díky této variabilitě lze pomocí FPGA implementovat algoritmy efektivněji, než by bylo možné s využitím klasických procesorů. Další výhodou je potenciální zlepšení poměru ceny k výkonu. Právě výrobou programovatelných desek se zabývá neakademický účastník projektu – firma Camea, s.r.o.


Interpretace dat z biočipů

Biočipy jsou malá sklíčka, na nichž jsou v přesně definovaných pozicích umístěny vhodně zvolené úseky DNA, odpovídající konkrétním genům. Takových „mikrozkumavek“ mohou být na jednom sklíčku až desítky tisíc. Při diagnostice a léčení mnoha chorob je důležité znát tzv. genovou expresi, tedy zjistit, do jaké míry se určité geny v dané situaci projevují. Díky obarvení vzorků různými barvami a nanesení na jedno sklíčko lze pomocí biočipů u všech testovaných genů najednou porovnávat rozdíly exprese např. ze zdravé a vyšetřované tkáně, po aplikaci určitých léčiv, v různých stádiích či podmínkách. Biočipy tedy otevírají cestu k mnohem rychlejšímu postupu při výzkumu, diagnóze a léčbě řady onemocnění.


Do vyhodnocení dat z biočipů se zapojují opět informační technologie. Výsledek analýzy je možné chápat jako dlouhý vektor čísel, která odpovídají zkoumaným rozdílům v projevech jednotlivých genů. Problémem je, jak obrovské množství získaných informací interpretovat. Existuje celá řada databází, popisujících, které geny mohou být zodpovědné za konkrétní onemocnění, jak se projevují v čase, jak to bylo prokázáno apod. Je dostupné též nepřeberné množství publikací, které popisují výsledky konkrétních experimentů za konkrétních podmínek.

Třetí část projektu Biomarker je zaměřena právě na analýzu a propojování dostupných bází znalostí. Využívána je k tomu široká škála technik, mj. automatická analýza a zpracování textů. Vědci z VUT dokáží vyhledat relevantní články, rozpoznat strukturu vět a identifikovat konkrétní vztahy, např., jak souvisí specifický gen s danou funkcí, zda lze očekávat interakci mezi určitými proteiny atd. Biologům může tato metoda poskytnout vodítko k řešení mnoha „záhad“ dnešních nemocí.

Projekt Biomarker přispěje ke vzniku nových efektivních diagnostických metod. Díky nim bude možné rychleji potvrdit nebo vyvrátit podezření na konkrétní onemocnění a lépe cílit léčbu s ohledem na individuální potřeby každého pacienta.

Název projektu: Vytipování markerů, screening a časná diagnostika nádorových onemocnění pomocí vysoce automatizovaného zpracování multidimenzionálních biomedicínských obrazů

Hlavní řešitelé na VUT: doc. RNDr. Pavel Smrž, Ph.D., doc. Dr. Ing. Pavel Zemčík

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta informačních technologií, Ústav počítačové grafiky a multimédií