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博弈论提出了更有效的癌症治疗方法

博弈论提出了更有效的癌症治疗方法

癌细胞不仅会破坏身体,还会相互竞争。

康奈尔大学的数学家们正在用博弈论来模拟这种竞争是如何被利用的,因此癌症治疗——这也会对病人的身体造成损害——可能会被更少地使用,以达到最大的效果。

他们的论文《优化适应性癌症治疗:动态规划和进化博弈论》发表在4月22日的《英国皇家学会学报B:生物科学》上。

“有许多博弈论方法来模拟人类如何互动、生物系统如何互动、经济实体如何互动,”论文的资深作者、艺术与科学学院(College of Arts and Sciences)数学教授亚历克斯·弗拉迪米尔斯基(Alex Vladimirsky)说。“你也可以模拟不同类型的癌细胞之间的相互作用,它们相互竞争,在肿瘤内增殖。如果你确切地知道它们是如何竞争的,你可以试着利用这一点来更好地抗击癌症。”

弗拉迪米尔斯基和论文的主要作者、博士生马克·格鲁兹曼(Mark Gluzman)与肿瘤学家、克利夫兰诊所(Cleveland Clinic)的雅各布·斯科特(Jacob Scott)合作。他们用进化博弈论来模拟肺癌细胞的三个亚群之间的相互作用,这三个亚群是根据它们与氧气的关系来分化的:糖酵素细胞(GLY)、血管过度增殖细胞(VOP)和变节细胞(DEF)。

在Scott之前合作开发的这个模型中,GLY细胞是厌氧的(即GLY细胞是厌氧的)。,它们不需要氧气);VOP和DEF细胞都需要氧气,但只有VOP细胞愿意消耗额外的能量来产生一种蛋白质,这种蛋白质可以改善血管系统,为细胞带来更多的氧气。

弗拉迪米尔斯基把他们的竞争比作是一场有一百万人互相竞争的石头、布、剪刀的游戏。如果大多数参与者选择玩摇滚,更多的玩家将会转向纸质游戏。随着换布的人越来越多,玩石头的人越来越少,玩剪刀的人越来越多。随着剪刀的流行,石头将再次成为一个有吸引力的选择,等等。

应用数学中心主任Vladimirsky说:“你有三个群体,三个竞争策略,经历这些周期振荡。”“如果没有药物治疗,这三种类型的癌细胞可能会遵循类似的振荡轨迹。服用药物可以被看作是暂时改变游戏规则。

他说:“一个很自然的问题是,如何以及何时改变规则,以最低成本实现我们的目标——包括恢复时间和给病人的药物总量。”“我们的主要贡献在于计算如何最优地自适应地安排这些药物治疗周期。我们基本上开发了一幅地图,根据目前不同亚型癌症的比例,显示何时给药。”

在目前的临床实践中,癌症患者通常接受他们的身体可以安全承受的最大剂量的化疗,副作用可能很严重。此外,这种持续的治疗方案常常导致幸存的癌细胞产生耐药性,使进一步的治疗更加困难。该团队的论文表明,一个适时的“适应性”应用程序可能会使患者的恢复与药物用量大大减少。

但弗拉迪米尔斯基警告说,就像数学建模中经常出现的情况一样,现实比理论复杂得多。生物学上的相互作用是复杂的,通常是随机的,而且病人之间的相互作用是不同的。

“我们的优化方法和计算实验都是基于一个特定的简化的癌症进化模型,”他说。“原则上,同样的想法也应该适用于更详细的、甚至是针对病人的模型,但我们离那个目标还有很长的路要走。”我们认为这篇论文是在适应性、个性化药物治疗的实际应用道路上必要的早期步骤。我们的结果是一个强有力的论据,将时间优化纳入未来的临床试验方案。”

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