科學(xué)說明：數(shù)學(xué)是如何幫助對抗癌癥的

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來源：轉(zhuǎn)載

2018-03-02

在滑鐵盧大學(xué)的數(shù)學(xué)醫(yī)學(xué)小組，我們已經(jīng)應(yīng)用數(shù)學(xué)和計算方法來了解癌癥的生長和控制已經(jīng)超過十年了。與癌癥生物學(xué)家和臨床腫瘤學(xué)家合作，我們試圖了解癌癥治療中的一些挑戰(zhàn)，包括耐藥和復(fù)發(fā)。

加拿大癌癥協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，將近一半的加拿大人一生中都會罹患癌癥。在全球范圍內(nèi)，癌癥是導(dǎo)致死亡的第二大原因。

當(dāng)癌癥在人體中出現(xiàn)時，它會導(dǎo)致“具有攻擊性”的細(xì)胞，并能夠逃避身體的生長控制機(jī)制。這些細(xì)胞也是“侵入性的”，進(jìn)入并將鄰近的組織吸收。而且它們通常是“轉(zhuǎn)移性的”在身體的遙遠(yuǎn)部位傳播。

癌癥治療中的未解決的挑戰(zhàn)之一，是患者經(jīng)常復(fù)發(fā)的化療，以及化療耐藥性的出現(xiàn)。

數(shù)學(xué)模型使我們能夠快速地搜索和識別癌癥患者最有效的藥物組合。他們也加深了我們對癌癥細(xì)胞對化療藥物的抗藥性的理解。

我們相信，數(shù)學(xué)科學(xué)家與癌癥生物學(xué)家和臨床腫瘤學(xué)家之間不斷增長的相互作用，也將導(dǎo)致癌癥治療的許多未來進(jìn)展和突破。

抗藥性的挑戰(zhàn)。

大多數(shù)癌癥的標(biāo)準(zhǔn)治療包括手術(shù)、化療和或放射治療。

總的來說，化療藥物通過阻止癌細(xì)胞的生長和分裂被證明是有效的。但它們顯然是一柄“雙刃劍”，因為它們會破壞，并導(dǎo)致健康的正常組織細(xì)胞發(fā)生突變。

病人的存活不僅僅依賴于消除癌細(xì)胞。我們還需要控制或克服耐藥性。每年都有成千上萬的病人死于對化療產(chǎn)生耐藥性的復(fù)發(fā)性癌癥。

聯(lián)合治療是一個很有前途的策略。但這也提出了自己的問題，關(guān)于如何管理這些藥物，這些藥物可以結(jié)合在一個看似無窮無盡的秩序和序列中。

數(shù)學(xué)模型可以用來研究這些類型的問題，為癌癥生物學(xué)家和臨床腫瘤學(xué)家提供強(qiáng)有力的新工具來增加他們的實驗室和臨床方法。

這些模型提供了一種合理的、獨(dú)特的方法，通過大量的可能的策略來確定最有效的劑量以延長患者的生存。

化療本身造成阻力

我們的團(tuán)隊目前專注于進(jìn)一步了解癌癥細(xì)胞對化療藥物的耐藥性。

通過將數(shù)學(xué)與計算性和實驗研究相結(jié)合，我們試圖理解和闡明特定的藥物組合是如何幫助克服這種耐藥性的。

并非所有的癌細(xì)胞都生來平等。它們相互競爭，而那些存活下來的基因信息傳遞給它們的女兒細(xì)胞。

細(xì)胞群中缺乏一致的特征已被確定為一個重要的因素，它使許多腫瘤的治療反應(yīng)復(fù)雜化和阻礙。我們有兩個相互競爭的理論來解釋這個:1)“克隆進(jìn)化”的標(biāo)準(zhǔn)理論和2)“癌癥干細(xì)胞假說”。

克隆進(jìn)化理論指出，大多數(shù)腫瘤是由單個細(xì)胞通過許多基因變化的積累而產(chǎn)生的。

然而，癌癥干細(xì)胞假說認(rèn)為，只有所謂的“腫瘤啟動細(xì)胞”的亞群才有能力無限制的細(xì)胞分裂，從而驅(qū)動腫瘤的生長。這些細(xì)胞非常具有攻擊性，對藥物不那么敏感，而且似乎是轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力(癌細(xì)胞擴(kuò)散到遙遠(yuǎn)的地方)，這常常導(dǎo)致病人死亡。

非癌癥干細(xì)胞也能對化療藥物產(chǎn)生抗藥性。

這意味著，化療的直接結(jié)果是可以獲得耐藥性。它挑戰(zhàn)了當(dāng)前的解釋，即抵抗是天生的，或者是由于隨機(jī)突變而獲得的。

鼓舞人心的納米

我們還利用數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，了解癌細(xì)胞的化學(xué)抵抗特性，以及它們?nèi)绾坞S著時間的推移而存活下來。

通過使用小鼠模型，我們已經(jīng)證實了我們的數(shù)學(xué)模型的預(yù)測:為了克服耐藥性和復(fù)發(fā)，在單一納米顆粒(一個微小的顆粒)中，藥物的致命組合必須被傳遞到同一個細(xì)胞。

數(shù)學(xué)和計算策略提供了一種無痛、快速和經(jīng)濟(jì)有效的方法來測試不同的藥物組合策略，以及其他使用計算模型的假設(shè)。

數(shù)學(xué)甚至可以激發(fā)納米醫(yī)學(xué)的設(shè)計。

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