Как математика помогает бороться с раком

По данным Канадского онкологического общества, почти половина канадцев сталкивается с раком. В мире рак является второй ведущей причиной смерти.

Когда рак развивается в организме человека, это приводит к «агрессивным» клеткам, которые образуют метастазы в других органах. Одной из самых больших проблем лечения рака является рецидив среди пациентов, проходящих химиотерапию, и резистентность к ней.

В группе математической медицины при Университете Ватерлоо исследователи применяют математические и вычислительные подходы для понимания роста и контроля рака. Работая вместе с биологами и клиническими онкологами, они пытаются понять некоторые проблемы лечения рака, включая лекарственную устойчивость и рецидивы.

Математические модели позволяют быстро находить и идентифицировать наиболее эффективные комбинации лекарств для больных. Они позволяют понять, как и почему раковые клетки часто становятся устойчивыми к химиотерапевтическим препаратам.

Проблема резистентности к лекарствам

Стандартное лечение большинства видов рака включает комбинацию хирургии, химиотерапии и/или лучевой терапии.

Химиотерапевтические препараты, по большому счету, оказались эффективными в уничтожении раковых клеток, предотвратив их рост и деление. Но при этом они разрушают здоровые ткани и вызывают мутации в них.

Выживание пациентов зависит не только от устранения раковых клеток. Необходимо контролировать лекарственную устойчивость. Каждый год тысячи пациентов умирают от рецидивов рака из-за резистентности к химиотерапии. Комбинированная терапия – очень перспективная стратегия. Но возникает вопрос, как управлять лекарствами, составляющими комбинированное лечение.

Математические модели используются для изучения этих вопросов, предлагая биологам и клиническим онкологам новые инструменты для лабораторных и клинических анализов.

Эти модели предлагают рациональный и уникальный метод поиска с помощью большого количества возможных стратегий для определения наиболее эффективных доз для выживаемости пациентов.

Химиотерапия как причина резистентности

В настоящее время команда исследователей работает над тем, как раковые клетки становятся устойчивыми к химиотерапевтическим препаратам, что приводит к рецидиву. Интегрируя математику с вычислительными и экспериментальными исследованиями, они пытаются понять, как конкретные комбинации лекарств могут помочь избежать резистентности.

Раковые клетки конкурируют друг с другом, а те, которые выживают, передают генетическую информацию своим дочерним клеткам. Отсутствие однородных характеристик среди клеточных популяций является фактором, который усложняет и препятствует ответу на лечение. Существует две теории, чтобы объяснить это: стандартная теория «эволюции клонов» и гипотеза о раковых стволовых клетках.

Теория эволюции клонов утверждает, что большинство опухолей возникает из отдельных клеток за счет накопления генетических изменений. Однако гипотеза о стволовых клетках предполагает, что только популяция клеток, инициирующих рак, обладает способностью к неограниченному делению клеток и, следовательно, способствует росту опухоли. Эти клетки агрессивны, менее чувствительны к лекарствам и, по-видимому, являются движущей силой метастазирования, что приводит к смерти пациентов.

Наномедицина

Исследователи использовали математическое моделирование с экспериментальными данными, чтобы выявить характеристики раковых клеток и то, как они выживают во время лечения.

Используя мышиные модели агрессивного рака молочной железы, они подтвердили гипотезу математической модели о том, что для преодоления резистентности и рецидива смертельная комбинация лекарств в одной наночастице должна быть доставлена в одну и ту же клетку. Исследователи показали, что математика помогает понять механизм рака, и повлиять на результаты терапии. Математические и вычислительные стратегии – быстрый и экономичный способ тестирования различных стратегий сочетания лекарств, и других гипотез с использованием вычислительных моделей.

Источник: medicalxpress.com/news/2018-02-mathematics-cancer