کتاب یادگیری عمیق در تشخیص و درمان انواع سرطان

عنوان صفحه
مقدمه 8
فصل 1 9
اپیدمیولوژی 12
ژن‏های ترمیم کننده 20
مرگ برنامهریزی شده (آپوپتوزیس) 21
ژن های مهار کننده توموری 22
تاثیر سرطان بر فرد 25
عوامل خطر ابتلا به سرطان 25
فصل 2 27
یادگیری عمیق 27
الگوریتم‌های یادگیری عمیق 28
تاریخچه 28
اهمیت یادگیری عمیق 32
اهداف یادگیری عمیق 33
کاربردهای یادگیری عمیق 37
کاربرد یادگیری عمیق در دستیاران مجازی 37
کاربرد یادگیری عمیق در چت‌بات ها 37
کاربرد یادگیری عمیق در اجرای قوانین 37
کاربرد یادگیری عمیق در مراقبت های بهداشتی 38
کاربرد یادگیری عمیق در بازی و سرگرمی 38
یادگیری عمیق در صنعت تبلیغات 40
تفاوت شبکه عصبی و یادگیری عمیق 40
تفاوت یادگیری ماشین و یادگیری عمیق 42
یادگیری عمیق در حوزه سلامت 46
یادگیری عمیق برای تشخیص انواع سرطان 49
یادگیری عمیق در پیش‌بینی بیماری و درمان 50
رتینوپاتی دیابتی 50
ویروس نقص سیستم ایمنی انسان (HIV) 51
یادگیری عمیق در MRI 52
یادگیری عمیق و آینده انسان 55
دیپ لرنینگ چگونه در مکانیابی سلول کاربرد دارد؟ 56
فصل 3 73
استفاده از یادگیری عمیق برای تشخیص سرطان 73
استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری عمیق برای تشخیص سرطان 76
تعیین میزان بقای بیماران مبتلا به سرطان با فناوری یادگیری عمیق 84
تشخیص و طبقه‌بندی سرطان پوست با استفاده از یادگیری عمیق 90
منابع 99

ژن های مهار کننده توموری

فقدان ژن‏های مهار کننده توموری باعث تقسیم غیرقابل کنترل سلول‌های سرطانی می­شود. ژن مهار کننده p53 روی کروموزوم 17P13.1 قرار دارد. طول این ژن 20000 bps است که پروتئین به طول 393 اسید آمینه می‌سازد. ژن P53 که در سال 1993 بنام مولکول سال و ژن نگهبان شناخته شد بطور طبیعی تقسیم و رشد سلول را تحت نظر کامل دارد. هنگامی‌که این ژن موتاسیون پیدا می‏کند باعث تولید یک پروتئین غیر معمولی می‏شود که نه فقط به اعمال طبیعی خود جامه عمل نمی‏پوشاند بلکه همه ژن‏هایی که تحت فرمانده این پروتئین انجام وظیفه می‏کردند طغیان خواهند کرد و یک سری از روابط مولکولی و بیولوژیکی تقسیم سلولی از مسیر طبیعی خود خارج می‏شود و سلول به سوی سرطانی شدن پیشروی می‏کند. روی این اصل موتاسیون ژن P53 در بیش از 60 درصد بافت‏های سرطانی دیده می‏شود. بیش از 35 نوع ژن‏های مهار کننده تا بحال شناسایی و گزارش شده‏اند.

وظایف پروتئین P53 در حال طبیعی تنظیم تقسیم سلول‏ها- خودکشی سلول‏ها، مسن شدن سلول‏ها، عروق سازی، تمایز یافتن سلول‏ها و متابولیسم DNA است. بیش از 26000 موتاسیون ژنتیکی در ژن p53 گزارش شده است. بیشتر این موتاسیون‏ها در ناحیه DNA-binding اتفاق می‏افتد که باعث می‏شود ژن‏های تحت کنترل p53 نتوانند نسخه برداری نمایند. همکاری پروتئین p53 با دو پروتئین CDK1-P2 و CDC2، سلول‌های سرطانی را در مراحل G1و G2 تقسیم سلولی نگه می‏دارد. پروتئین p53 هم مهار کننده و هم ارتقا دهنده سلول‌های سرطانی است. پروتئین p53 پس از صدمات ژن‏های دیگر به DNA متصل می‏شود و باعث تحریک ژن WAF1 می‏گردد. این ژن، پروتئین P21 را می‏سازد و به پروتئین CDK2 می‏چسبد و اجازه ورود P21 به مرحله بعدی تقسیم سلولی را نمی‏دهد. پروتئین p53 یک ترکیبی از شبکه حوادث مولکولی است که در تولید سلول‌های سرطانی نقش مهمی‌را بازی می‏کند. پروتئین p53 فعال از طرف ترمینال N از دو طریق فسفوریلاسیون می‏شود. از طریق MAPK پروتئین و از طریق ATM و ATR و LHK پروتئین. وقتیکه p53 فسفوریلاسیون می‏شود خاصیت چسبیدن به MDM2 را از دست می‏دهد. پروتئین pint  باعث تغییر شکل در ساختمان p53 می‏شود و به عدم اتصالp53 به MDM2 کمک می‌نماید. وقتی که ژن p53 فاقد ضربات محیطی است، مقدار p53 پائین می‏رود. پروتئین MDM2 به p53 می‏چسبد و از عملش جلوگیری می‏کند و آنرا به سیتوپلاسم سلول انتقال می‏دهد. عمل ضد سرطان p53 از سه مسیر انجام پذیر است.

1-  پروتئین p53 باعث تحریک پروتئین‏های ترمیم کننده DNAr می‏شوند که به صدمات زده شده به ژن‏ها رسیدگی شود.

2-  پروتئین p53 باعث تحریک مرگ برنامه ریزی شده می‏شود (وقتی که سلول‌های صدمه دیده غیرقابل بازسازی باشند).

3-  پروتئین p53  تقسیم سلولی را در مرحله G1/S نگه می‏دارد تا فرصتی برای تعمیر باشد.

دو داروی Nutlin (سیس ایمیدازولین) که از واکنش بین MDM₂  وp53 جلوگیری می‏کند و Teno Fixدر نهایت موجب جلوگیری از رشد سلول‌های سرطانی می‏شوند. اولین بار در سال 1996 ژن درمانی با استفاده از ژن p53 در یک رتروویروس حمل کننده انجام شد. این ویروس‏های حامل ژن طبیعی p53 در محل سلول‌های سرطان شش تزریق شد و این آزمایشات بالینی تا مرحله سوم پیشرفت نمود ولی متاسفانه سازمان FDA آمریکا آن را تصویب نکرد. در حال حاضر این آزمایشات در کشور چین انجام می‌گیرد. وظایف پروتئین p53 در هسته سلول مشخص است ولی هنوز در سیتوپلاسم کاملا مشخص و مطالعه نشده‎است.

تعداد بیماران سرطانی سال به سال رو به افزایش است و این خود یک معظل پزشکی است نه فقط از نظر بهداشت و درمان بلکه از نظر اقتصادی می‏تواند کشورها را تا حد ورشکستگی اقتصادی پیش ببرد.

1- جمعیت جهان افزایش یافته است.

2- سن جمعیت جهان هم بالاتر رفته است و هر چه سن بالاتر رود خطر سرطان بیشتر است.

3- تکنولوژی و رادیولوژی تشخیص، بهتر در دسترس می‏باشد.

4- آلودگی محیط زیست و عدم رعایت رژیم­های غذایی بطور قطع تاثیرات منفی خود را دارد.

سرطان توسط صدمات جسمانی تولید نمی­شوند. سرطان مُسری نیست. بعضی از مردم نسبت به ابتلا به سرطان‏ها بدنشان حساس‏تر است تا دیگران. از زمانی که اولین موتاسیون در ژن‏ها بوجود می‏آید تا زمانی که به یک توده سرطانی تبدیل می­شود تقریباً 7 سال طول می­کشد. در جدول (1) نمونه­هایی از مواد شیمیایی و باکتریها و ویروس­ها که تولید سرطان می­کنند مشاهده می­شود (6، 7و8). در جدول (2) لیست تعدادی از دانشمندان جهان را که در 170 سال گذشته از پیشقدمان و پیشکسوتان علم ژنتیک بوده‌اند مشاهده می‏شوند.  در جدول (3) نمونه­هایی از آنکوژن‏ها و ژن‏های مهار کننده تومور که بطور مکرر ناهنجاری پیدا می­کنند ملاحظه می­شود (2). در جدول (5)  مقایسه‏ای از تعداد ژن‏های انسان و سایر میکروارگانیسم‏ها نشان داده شده است.

از پیشرفت سلول‌های سرطانی دارای یک فرمول خاص است که بتدریج در این 7 سال اتفاق می­افتد؛ مثلا برای سرطان روده بزرگ یا سرطان غدد لنفاوی کاملا صدق می­کند.

سلول‌های طبیعی

سلول‌های هایپرپلاستیک

سلول‌های دیس پلاستیـک

سلول‌های سرطانی اینویسیو

سلول‌های متاستاز شده

در هر مرحله یک ژن معینی (انکوژن یا آنتی آنکوژن یا ژن ترمیم کننده) می­تواند موتاسیون پیدا کند تا این سلول­ها سرطانی شوند (2 و 3). اگر سرطان­ها در مراحل اول تشخیص داده شوند بطور کامل قابل معالجه هستند و اگر در مراحل دوم تشخیص داده شوند در حدود 70 درصد شانس معالجه دارند و اگر در مراحل سوم تشخیص داده شوند در حدود 30 درصد شانش بهبودی دارند و اگر سرطان تشخیص داده شود در مرحله چهارم بوده که بطور حتم به بافت­های دیگر گسترده شده است، شانس معالجه و بهبودی در حدود 5 درصد است که 5 سال ادامه حیات داشته باشد. از چند طریق این بیماران معالجه می­شوند. جراحی، شیمی‌درمانی، پرتو درمانی، ایمنو درمانی و ژن درمانی که همان پیوند مغز استخوان است. همه این روش­های درمانی عوارض جانبی خود را روی دیگر بافت­های سالم بدن دارد (46و47). بسیاری از عوامل محیطی که تولید سرطان می­کنند قابل جلوگیری هستند مانند سیگار کشیدن، مشروبات الکلی، هوای آلوده، رژیم غذایی ناسالم، عدم تحرک و بیماری‌های عفونی در صورتی که ازدیاد سن و ژنتیک خانوادگی قابل تغییر و جلوگیری نیست. تحقیقات در سرطان شناسی امروزه به ما کمک کرده است که نه فقط عملکرد بیماری سرطان را بهتر بفهمیم، بلکه بهترین راه حل معالجه این بیماران را فراهم سازیم.

تاثیر سرطان بر فرد

تشخیص سرطان می‌تواند یک شوک و خشم در بیماران ایجاد کند که باعث بروز وقفه در زندگی طبیعی آنها می‌شود. این شوک در ابتدا منتهی به ایجاد احساسات ژرف از بی اعتقادی و در برخی موارد انکار آشکار بیماری می‌گردد. این واکنشها اغلب، با ترس و تنش حاد مشخص می‌شود و به ” تب” یا “عفونت روحی” تشبیه می‌شود. سازگاری با تشخیص سرطان تحت تاثیر برخی از فاکتور ها قرار می‌گیرد که شامل نحوه انتقال تشخیص قطعی سرطان به فرد، عقاید فردی در مورد بیماری، تاخیر در تشخیص، شخصیت فردی و شیوه های سازگاری که فرد در موقعیت های بحران زا استفاده می‌کند، می‌باشد.

بيماران مبتلا به سرطان به طور معمول دامنه اي از علايم شامل در دو انواع ناراحتي هاي جسمي و رواني را تجربه مي كنند. بلافاصله بعد از تشخيص بيماري، ممكن است اضطراب و ديگر اختلالات خلقي در فرد به وجود آيد كه اين علايم با گذشت زمان و در پاسخ به تشخيص، عود و بهبود بيماري دستخوش تغيير مي شوند.

اين بيماري از لحاظ احساس درماندگي و ترس عميقي كه در فرد ايجاد مي‌كند، بي‌همتاست. ترديدي نيست كه تشخيص بيماري هاي تهديد كننده حيات چون سرطان اثرات متعددي بر كيفيت زندگي فرد مي گذارد. سرطان صرفا يك رويداد با پاياني معين نيست، بلكه يك موقعيت دائمي مبهم است كه با تاثيرات ديررس تاخيري ناشي از بيماري، درمان و مسايل روانشناختي مربوط به آن ها مشخص مي‌گردد.

عوامل خطر ابتلا به سرطان

عوامل زیادی در ابتلا به سرطان نقش دارد، از جمله سن، جنس، نژاد، عوامل محیطی، رژیم غذایی و ژنتیک. در مناطق مختلف جهان ممکن است انواع مختلفی از این بیماری شیوع پیدا کند. به‌عنوان‌مثال سرطان معده اغلب در ژاپن مشاهده می‌شود. درحالی‌که در آمریکا کمتر دیده می‌شود. دلیل آن می‌تواند ترکیبی از عوامل محیطی و ژنتیکی باشد.

هر چیزی ممکن است باعث رشد غیرطبیعی سلولی در بدن شود. برخی از این علل هنوز ناشناخته است؛ اما بسیاری از آن‌ها به محرک‌های طبیعی و سبک زندگی بستگی دارد. البته تعیین عامل اصلی این بیماری در یک فرد بسیار دشوار است. در ادامه فهرستی از عمده‌ترین دلایل ابتلا به این بیماری را ذکر می‌کنیم:

قرارگرفتن در معرض ترکیبات شیمیایی یا سمی: بنزن، آزبست، نیکل، دخانیات یا دود سیگار، آفلاتوکسین و وینیل کلراید

تابش یونیزه کننده: اورانیوم، رادون، اشعه ماوراء بنفش از نور خورشید، تابش آلفا، بتا و گاما و منابع ساطع‌کننده اشعه ایکس

پاتوژن: ویروس پاپیلومای انسانی (HPV)، ویروس هپاتیت، کاپوزی سارکوما به همراه تب‌خال و هلیکوباکترپیلوری

ژنتیک: برخی سرطان‌ها با ژن‌های انسان در ارتباط هستند؛ مانند سینه، تخمدان، روده بزرگ، پروستات، پوست و ملانوم.