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博弈论表明更有效的癌症治疗

癌细胞不仅会破坏人体,还会相互竞争。

康奈尔大学的数学家们正在使用博弈论来模拟如何利用这种竞争机制,因此可能更谨慎地管理癌症治疗(这也会给患者的身体造成巨大的损失),并发挥最大的作用。

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

该论文的资深作者,艺术与科学学院数学教授亚历克斯·弗拉基米尔斯基(Alex Vladimirsky)表示:“有很多博弈论方法可以用来模拟人类如何相互作用,生物系统如何相互作用,经济实体如何相互作用。” “你也可以模拟不同类型的癌细胞之间的相互作用,它们在肿瘤内部竞争扩散。如果你确切地知道它们之间的竞争,那么你可以尝试利用它来更好地对抗癌症。”

弗拉基米尔斯基(Vladimirsky)和该论文的主要作者,博士生Mark Gluzman与克利夫兰诊所的肿瘤学家和合著者Jacob Scott合作。他们使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,这些亚群通过与氧气的关系来区分:乙醇酸细胞(GLY),血管过度生产者(VOP)和缺陷者(DEF)。

在这种模型中,GLY细胞以前是由Scott共同开发的,是厌氧的(即它们不需要氧气)。VOP和DEF细胞都使用氧气,但是只有VOP细胞愿意消耗额外的能量来产生蛋白质,从而改善血管系统并为细胞带来更多的氧气。

弗拉基米尔斯基(Vladimirsky)将他们的比赛比作一场石头,纸,剪刀的比赛,成千上万的人互相竞争。如果大多数参与者选择玩摇滚,那么将有更多的玩家倾向于换纸。随着改用纸张的人数增加,玩石头的人会减少,而玩剪刀的人会更多。随着剪刀的流行,岩石将再次成为有吸引力的选择,依此类推。

负责应用数学中心的弗拉基米尔斯基(Vladimirsky)说:“因此,您有三个种群,三个竞争策略,都在经历这些周期性的振荡。” “没有药物治疗,癌细胞的三种亚型可能会遵循相似的振荡轨迹。施药可以被视为暂时改变游戏规则。

他说:“一个自然的问题是如何以及何时更改规则以最低的成本实现目标,包括恢复时间和对患者给药的总量。” “我们的主要贡献在于计算如何最佳地适应性地调整这些药物治疗的时间。我们基本上开发了一张地图,根据不同癌症亚型的当前比例显示何时施药。”

在当前的临床实践中,癌症患者通常以其身体可以安全耐受的最高剂量接受化学疗法,并且副作用可能很严重。另外,这样的连续治疗方案常常导致存活的癌细胞产生耐药性,使得进一步治疗更加困难。研究小组的论文显示,及时的“自适应”应用可能会以大大减少的药物量导致患者康复。

但是弗拉基米尔斯基(Vladimirsky)警告说,与数学建模一样,现实比理论更混乱。生物相互作用是复杂的,通常是随机的,并且可能因患者而异。

他说:“我们的优化方法和计算实验均基于特定的癌症演化简化模型。” “原则上,同样的想法也应该适用于更详细的甚至是针对特定患者的模型,但是我们距此还有很长的路要走。我们认为本文是迈向实用化的必经之路。适应性,个性化的药物治疗。我们的结果是将时间优化纳入未来临床试验方案的有力论据。”

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