在未来，使用改进的检测系统可能会更早地诊断出癌症。计算资源正在帮助研究人员探索改进的乳腺组织图，纳米孔和片上实验室生物传感器以及细胞进入癌症检测器。高级计算对于这些新兴诊断设备的仿真和材料设计方面至关重要。

打击癌症的一个重要因素是鉴别，诊断和治疗疾病的速度。

目前的标准涉及病人感觉不适或医生看到肿瘤的迹象。这些指标通过血液测试，X射线或MRI成像来做出更准确的诊断。但一旦疾病不够明显，癌症就会借机传播开来。

尽管如此，在将来，使用更敏感的身体扫描，新型的生物标志物测试，甚至在血液中工作的纳米传感器，可能会更早地诊断出癌症。

在癌症患者或健康个体中对这些技术进行实验是困难且具有潜在的不道德性。但科学家们可以通过超级计算机实际测试这些技术来模拟细胞和组织的动力学。

建立更好的乳腺癌早期检测系统

手动乳房检查和乳房X光检查是目前用于早期检测乳腺癌的最有效和广泛使用的技术。不幸的是，手动乳房检查检测肿瘤的能力十分局限，因为它们仅产生关于施加力的部位的局部信息。

另一方面，乳房X光检查（乳房X线检查）更为准确，但会使患者暴露于辐射。重要的是，它们不能量化组织硬度，而组织硬度是乳腺肿瘤的鉴别特征。乳房X光检查也产生许多假阳性，导致痛苦的活组织检查。

Rose-Hulman理工学院机械工程教授洛林·奥尔森（Lorraine Olson）正在与电气与计算机工程学院的Robert Throne以及化学工程的亚当·诺尔特（Adam Nolte）合作，开发出一种能够轻松缩小各地乳腺组织的机电设备和记录组织表面偏转。然后将该数据转换成乳腺组织刚度的详细3-D图，然后可用于识别可疑（更僵硬）部位进行进一步测试。

Olson说：“研究采用乳腺癌早期检测方法，利用癌症和非癌组织之间的基本机械差异。“虽然这种刚度差异是手动乳房检查的基础，但从工程学的角度来看，尚未对其进行系统的调查。”

Olson和她的团队确定刚度与内部映射关系的方法涉及有限元方法的组合 - 用于解决工程和数学物理学中的问题的数值方法以及遗传算法 - 一种基于自然解决优化问题的方法选择。

通过配对在一起，他们可以映射给定组织中的刚度分布，并系统地使用“猜测和检查”来找出哪些组织刚度图最好地模拟测试中实际看到的响应。

该过程涉及数千种这些“猜测”，因此需要强大的超级计算机，如德克萨斯高级计算中心（TACC）的Stampede，世界上最强大的计算机之一。

经过多次计算机研究，该团队已经开始使用具有和不具有较硬的“肿瘤”的明胶组织模型（类似于Jell-O）来实验验证该模型。他们已经进行压痕实验来测量组织上的表面位移并识别肿瘤位置。他们在2016年反问题研讨会上介绍了国家科学基金会的支持。

“这个系统有可能显着增加乳腺癌的早期发现率，没有不必要的辐射，基本上没有风险，并且几乎没有额外的成本，”奥尔森说。

设计纳米级DNA阅读器

奥尔森，王位和诺尔特的机电技术在身体表面上起作用，但新兴类型的纳米级传感器旨在从身体内诊断癌症。

纳米传感器必须小而敏感，靶向可能表明存在癌症的特异性生物标志物。他们也必须能够将这些信息传达给外部观察员。科学家和科幻作家早就预测了纳米传感器的兴起，但是最近才开发出这样的技术。

许多科学家一直在使用TACC的超级计算机来调查这个问题的方面。一位这样的研究员是伊利诺伊大学香槟分校生物物理学教授Aleksei Aksimentiev。 Aksimentiev致力于创建可以在身体内序列DNA的硅纳米孔装置，以检测癌症或其他疾病的迹象。

纳米孔在非常薄的膜中基本上是一个微小的孔，像DNA一样甚至更小的颗粒才能通过。除了精确的成形之外，它必须能够吸引正确的分子并诱导它们通过孔，从而可以进行遗传测序和鉴定。

2016年12月在ACS Nano写作，密苏里大学Dalton心血管研究中心的Aksimentiev和生物工程教授Li-Qun（Andrew）Gu介绍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。纳米载体选择性地结合靶生物分子，并增加其对由纳米孔产生的电场梯度的反应，基本上迫使它们穿过孔。

研究人员表明，适度带电的纳米载体可用于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改善复杂的临床样本用于癌症检测和其他疾病的实时分析。

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。

“在纳米传感器的开发中，如用于癌症遗传诊断的纳米孔单分子传感器，我们可以在纳米尺度上实验发现各种临床有用的现象，但我们的合作者Aksimentiev博士可以利用其优越的计算能力来精确地挖掘这些实验观察背后的分子机制，“顾说。“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，我们认为这将在精确的肿瘤学中发挥重要作用。

这项工作得到了国家卫生研究院的资助（R01-GM079613，R01-GM114204）和支持，模拟研究导致了专利的发展，该专利于2017年5月出版。

用微观实验室芯片诊断血液中的生物标志物

来自拉马尔大学的研究人员，包括陶卫，叶莲莲，余玉华，正在探索不同的纳米级癌症诊断方法。为了代替纳米孔，他们正在使用由Lo集团发明的实验室芯片技术，其可以识别在血液中作为疾病的生物标志物的短核酸片段。

检测是基于接枝在蒸发液滴内的底物表面上的核酸片段的杂交。当核酸形成氢键时会发生杂交。该过程受到自发自组织成表面有序结构的核酸片段的分子几何影响，也被称为自组装单层（SAM）。

这种生物芯片的敏感性取决于靶材料可以结合生物芯片表面的程度。许多因素可以影响结合过程，包括SAMs表面的结构，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。

“我们独特的贡献是使用原子模拟来设计表面，优化条件以提高杂交效率和检测分辨率。”“这项研究将有助于开发基于核酸杂交的新生物器官。”

该团队在美国化学工程师协会2016年度会议上介绍了他们的工作，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。

输入核的传感器和DNA修复报告

伦斯勒理工学院研究科学家亨利·赫尔斯（Henry Herce）目前在达纳法伯癌症研究所（Dana-Farber Cancer Institute）进行了另一个解决癌细胞检测问题的机会。他的研究重点是开发可以进入细胞核并分子结合到称为增殖细胞核抗原（PCNA）的特定蛋白质的分子。

PCNA，被称为“基因组的环主”，是DNA复制和修复中的关键蛋白之一。 DNA复制对于癌症的存活，生长和传播至关重要，使其成为肿瘤标记和抑制的意向目标。

在“美国化学学会杂志”（2014年）和“Nucleus”（2014）的一系列出版物中，由Stampede，Herce和他的合作者介绍了创建一种新的肽- 一种氨基酸的链-可以进入生物体的细胞与其载体分子分离并结合PCNA。他们还发现了肽和其PCNA目标之间在原子细节中的相互作用的性质。

最后，他们表明，复制和修复位点都可以直接标记在活细胞中，这是这两个基本过程。第一个细胞可渗透肽标记物，并引入了一种PCNA染色方法，使靶分子发光，从而可以评估其分布。

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，增加其稳定性和允许细胞内递送的见解。

Herce说:“这一发现代表了一种通用的工具，可以在固定的和活的细胞中进行实时标记修复和复制过程。”“沿着这条路继续下去，它可能会成为早期癌症检测的新工具。”

从更好的触诊系统，到进入血液的纳米设备，甚至是细胞的细胞核，为了发现癌症的迹象，新的诊断系统即将到来，超级计算机正在帮助研究人员设计这种诊断系统。

TACC的生命科学计算总监Matt Vaughn说：“高级计算对于诊断设备的仿真和材料设计方面至关重要。“由于这些设备出现的数据几乎总是杂乱无章的，先进的计算和巧妙的算法可以帮助分层提纯，提高信号精度，从而使新的诊断更加可行。”

（选自《麦肯息讯》）