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微软开源生物模型分析器(BMA):一款基于云的生物研究工具

微软近日在GitHub上开源了“生物模型分析器”(Bio Model Analyzer,简称BMA)。这是一款能够帮助生物学家模拟细胞互动和通信过程的基于云的工具。

生物模型分析器(BMA)能够创建计算机模型,让研究人员将健康细胞的正常代谢过程与疾病发作时的异常代谢过程进行对比。“在硅基上”(即使用计算机而非较为传统的模型)从事这项工作,将允许研究人员以更快的速度检测比以前更多样的可能情况。

微软英国剑桥研究院编程原理及工具研究组资深研究员、剑桥大学生物化学系副教授Jasmin Fisher认为,BMA还可以加速有关药物间相互作用和抗药性等领域的研究,并可能最终为患者提供更为个性化和有效的癌症治疗方案。

Jasmin Fisher

BMA是微软利用计算机科学加速癌症研究和治疗突破的研究项目之一。Fisher在2016年的一篇报道中说:“我们正努力变革生物学日常研究的方式。”

GitHub链接:https://github.com/Microsoft/BioModelAnalyzer

BMA官网:http://biomodelanalyzer.org/

 

拓展阅读

 

一种治疗癌症的方法:调试系统

:该部分节选自《微软:用计算机技术治愈癌症,这不是在开脑洞》)

Jasmin Fisher不寄望于彻底治愈癌症,而是希望能控制它。她相信,在她有生之年可以做到这一点。作为微软英国剑桥研究院编程原理与工具研究组资深研究员、剑桥大学生物化学系副教授,她认为,并不是说癌症会永远消失。而是一旦你能够管理它并知道如何控制它,它就不再是个问题。

为此,Fisher和她的团队认为需要利用技术理解癌症——或者更具体说是让正常细胞变成癌细胞的生物过程。了解了问题所在,你就需要知道如何修复它。Fisher把计算方法引入癌症研究,她就像计算机科学家看待计算机程序一样看待癌症研究。她的目标是了解让细胞执行命令或以特定方式行动的程序或指令集。一旦开发了一个描述细胞不正常行为的计算机程序并与癌细胞的行为对比,你就可以找出改正不正常行为的方法。她说:“如果知道了如何开发这些程序,你就可以调试它们,那它就不再是个问题了。”

生物模型分析器(Bio Model Analyzer,BMA)

当然,这虽然听上去很简单,实际却很复杂。Fisher和她的团队正在研究的一种方法叫生物模型分析器(Bio Model Analyzer,BMA)。这个基于云的工具让生物学家可以对细胞之间的互动和通信以及它们的连接进行建模。该系统可创建一个计算机化的模型,对比健康细胞的生物流程与生病后的异常流程。这反过来让科学家可以看到导致癌症的人体中数百万基因和蛋白质之间的互动,并快速制定最好、危害最小的方式为患者提供个性化治疗。

Fisher项目团队的成员、英国剑桥皇家社会大学研究员BenHall说: “我使用BMA研究癌症,了解癌症的形成过程,以及正在进行的通信。”Hall说,BMA有很多用途,包括如何及早检测癌症并了解如何更好地治疗癌症,通过建模找出哪些药品最有效以及癌症在什么时候会产生抗药性。

下面是BMA可能发挥作用的一种方式:假设一名患者得了一种罕见并且致命的脑癌。使用BMA,医生可以把有关该患者的所有生物信息输入该系统。然后,他们可以使用该系统进行各种实验,例如对比癌症患者与健康人的信息,或模拟患者的身体对各种治疗方法的反应。使用笔和纸,甚至简单的计算机程序进行这种计算是不可能的,因为人体中互相配合的数百万分子、蛋白质和基因存在太多的变量。为了开发Fisher预想的这种解决方案,研究人员需要开发强大的计算模型,能够建立这些极为复杂的模型,并运行所有可能的解决方案以寻找异常情况。

由于能够使用计算机而不是纸和笔或试管和烧杯进行这些实验,研究人员可以快速地测试更多的可能性。这反过来更好地了解癌症如何发展、演进以及与身体其它部分的互动。Jonathan Dry是制药公司AstraZeneca的首席科学家,他的团队与Fisher的团队合作。他表示:“我认为这会加快研究,因为我们能够检验比在实验室中多得多的可能性。”Dry说,由于过去检验任何假设都极为困难,研究人员不得不专注于自己偏好的假设,猜测什么可能最有潜力。BMA等系统让他们可以尝试所有想法,使得他们更有可能找到正确的方法——并且更有可能找到“黑马式”的方法。Dry认为,如果每一个假设都来被检验,放在过去这是不可能的。而有了这些模型则使得研究人员可以检验所有可能性,从而能找出更为科学的治疗方案。

改进和个性化癌症治疗

微软和AstraZeneca一直在使用BMA来更好地了解药品在白血病患者体内的相互作用和抗药性。借助BMA,两个研究团队能够更好地了解不同的患者为什么对特定治疗方法有着不同的反应。Dry说,BMA对于更加个性化的癌症治疗或精准医疗来说有着巨大的潜力。研究人员希望BMA这样的系统最终可以让研究人员和肿瘤医生详细了解具体的癌症病情,在检验时纳入可能影响治疗的其他因素,例如患者是否有其它疾病以及患者吃的其它药是否会与治疗癌症的药产生反应。“这真正正视了每个患者都是不同的,可能存在很大的不同这一现实”,Dry表示。

对于生物学家来说有用的计算机系统

Fisher认为,BMA这样的系统有望革命性地改变人们对癌症的看法,但只有生物学家愿意使用它们才能取得成功。经常使用BMA工作的设计师David Benque说,该系统在开发时就考虑到尽可能让生物学家感到熟悉并且可以理解。Benque多年来一直在使用生物学家可以理解的语言来开发工具,在视觉上模拟科学家在实验室中可能用到的东西。在Fisher看来,这样的系统迫切需要方便生物学家的使用。否则,就不会在治疗癌症方面实现突破。她说:“每个人都意识到癌症研究中需要计算能力。了解到这一点是一件事,说服医生实际使用这些工具又是另外一件事。”