کاربرد رایانش ابری در درمان سرطان

در این مقاله جهت بررسی کاربرد رایانش ابری در درمان سرطان به سراغ همکاری محققان Fred Hutch با شرکت ابر آمازون رفته‌ایم.

مرکز تحقیقاتی فرد هاچینسون واقع در سیاتل آمریکا، بر روی پیشگیری و از بین بردن سرطان و بیماری‌های عفونی متمرکز است.

فرد هاچ بسیار امیدوار، مشتاق و دلسوزانه به‌دنبال ایجاد نوآوری‌ها و پیشرفت‌های علمی، جهت دستیابی به زندگی سالم برای همه افراد جامعه است.

در حال حاضر تحقیقات فردهاچ بر روی میکروبیوم متمرکز است و تجزیه‌وتحلیل آن‌ها را از طریق HPC ابر آمازون پیش می‌برد.

به گفته محققان این مرکز، استفاده از محاسبات سنگین یا HPC، زمان انجام محاسبات آن‌ها را از هفت سال به هفت روز کاهش داد.

میکروبیوم چیست؟

تریلیون‌ها موجود میکروسکوپی در سرتاسر بدن انسان زندگی می‌کنند و بسیاری از آنها مسالمت‌آمیزی با سلول‌های بدن دارند.

این موجودات میکروسکوپی، میکروبیوم نام دارند و شامل مجموعه‌ای از باکتری‌ها، قارچ‌ها، ویروس‌ها و… در داخل و روی پوست بدن انسان است.

میکروبیوم نقش مهمی در تنظیم سلامتی و کارکرد درست بدن دارد. بزرگ‌ترین اجتماع میکروبیوم‌ها در دستگاه گوارش تحتانی و روده بزرگ می‌باشد.

با ورود میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا و یا از بین رفتن تعادل میکروبیوم‌های مفید و مضر، عملکرد این سیستم به‌هم می‌خورد و افراد دچار بیماری‌های مختلف می‌شوند.

محققان Fred Hutch علاوه بر مطالعه میکروبیوم‌ها در تلاش هستند تا آنها را دستکاری کرده و داروهای درمان سرطان را مؤثرتر کنند.

همکاری Fred Hutch با ابر آمازون

مطالعه میکروبیوم‌ها و داده‌های ژنومی آنها، نیاز به محاسبات و تجزیه‌وتحلیل‌ فراوانی دارد.

همانند ژنوم هر فرد که مختص خود او می‌باشد، ژنوم میکروبیوم‌های وی نیز اختصاصی است.

پردازش این حجم از اطلاعات، یک کار محاسباتی فشرده است. سام مینوت، دانشمند ارشد فرد هاچ در این‌باره می گوید:

«صدها هزار میکروب در میکروبیوم هر فرد وجود دارد و برای هر نفر متفاوت است. ترجمه گیگابایت داده‌های ژنومی میکروبیوم خام به بینش‌هایی درباره اینکه کدام میکروب‌های خاص در یک فرد وجود دارد، یک کار محاسباتی فشرده است که به فناوری بسیار مقیاس‌پذیر نیاز دارد.»

دکتر مینوت خدمات وب آمازون (AWS) را برای تقویت پلتفرم محاسبات سنگین (HPC) جهت تجزیه و تحلیل میکروبیوم‌ها انتخاب کرد. او می‌گوید:

«گروه‌های تحقیقاتی دیگری در سازمان، از AWS استفاده می‌کردند و دیدیم که چگونه از مقیاس‌پذیری ابر بهره‌مند شدند».

مزایای استفاده از محاسبات سنگین ابری

همان‌گونه که قبل‌تر اشاره شد، مهم‌ترین مزیت محاسبات سنگین برای فردهاچ، تسریع روند محاسبات است.

به گونه‌ای که رایانش ابری، هفت سال زمان مورد نیاز جهت محاسبات میکروبیوم‌ها را به هفت روز تقلیل داد.

مزیت دیگر رایانش ابری، صرف پول و انرژی کمتر جهت نگهداری از سررورها است. سام مینوت در این‌باره می‌گوید:

با اجرای تحقیقات میکروبیوم خود بر روی ابر، ما پول کمتر و زمان کمتری را برای دریافت پاسخ‌های علمی از تجزیه و تحلیل صرف می‌کنیم. هدف ما تسریع فرآیندهای تحقیقاتی خود در AWS است تا بتوانیم به توسعه درمانی برای مبارزه با سرطان نزدیک‌تر شویم.

بزرگنمایی روی ژن‌ها از دیگر مزایای ابر برای این تحقیقات است.

دکتر مینوت از محیط محاسباتی تحقیقاتی مبتنی بر ابر برای افزایش وضوح تجزیه و تحلیل برای مجموعه‌های بزرگی از نمونه‌های میکروبیوم استفاده می‌کند. او می‌گوید:

«ما می‌توانیم از مقیاس AWS برای بزرگ‌نمایی از سطح گونه‌ها برای ژن‌های موجود در آن گونه‌ها استفاده کنیم، که به سطح بسیار بالایی از جزئیات محاسباتی نیاز دارد».

وی با مثالی می‌افزاید که با افزایش وضوح تحلیلی، محققان به راحتی پیوندهایی با نتایج سلامت پیدا می‌کنند:

به عنوان مثال، ما می‌توانیم تجزیه و تحلیل جهانی را روی AWS در هزاران مجموعه داده منتشر شده انجام دهیم و گروه‌های افراد مبتلا به بیماری التهابی روده را مطالعه کنیم.

با همان وضوح، ما همچنین می‌توانیم میکروبیوم‌ها را در افراد مبتلا به سرطان کولورکتال تجزیه و تحلیل کنیم و سپس شناسایی کنیم که التهاب چگونه ممکن است با ایجاد سرطان مرتبط باشد.

با استفاده از مقیاس و وضوحی که در AWS دریافت می‌کنیم، می‌توانیم مقایسه‌های بهتری را در بین حالات مختلف بیماری انجام دهیم، که بسیاری از آنها با میکروبیوم در تعامل هستند.

علاوه بر این، دکتر مینوت می‌تواند روش‌های خود را با سایر محققان علمی به اشتراک بگذارد.

آنها می‌توانند تحقیقات خود را با استفاده از همین روش‌ها برای گسترش بیشتر اکتشافات علمی انجام دهند.

ویجی سورشکومار، مدیر مشارکت‌های فناوری در فرد هاچ می‌گوید:

«سادگی ادغام نمونه‌های آمازون با Nextflow در مقیاس، عنصری از تکرارپذیری را به ما می‌دهد. ما می‌توانیم این مدل را به آزمایشگاه‌های تحقیقاتی دیگر در فرد هاچ یا سایر مؤسسات تعمیم دهیم. این می تواند منجر به همکاری تحقیقاتی بیشتر شود، بنابراین ما می توانیم با هم برای یافتن درمان های بالقوه سرطان کار کنیم.

مزایای کاربرد رایانش ابری در درمان سرطان

• داده های بیش از 15000 نمونه بیولوژیکی را پردازش می‌کند.
• 7 سال زمان محاسبه را به 7 روز کاهش داد تا محققان بتوانند سریعتر به نتایج دست پیدا کنند.
• وضوح نمونه‌های میکروبیوم را برای یافتن پیوندهایی برای بهبود نتایج سلامتی افزایش می‌دهد.
• امکان همکاری با سایر محققان علمی را فراهم می کند.