In zehn Jahren werden Computer in der Lage sein vorzuschlagen, die geeignet Krebs-Behandlung für Sie. Die Idee ist, zu simulieren, wie alle möglichen Kombinationen von bestehenden Krebs-Behandlungen wird auf Ihre speziellen Tumor.
Jedes Jahr, mehr als 10.000 Norweger an Krebs sterben. Forscher an der Universität von Oslo sind jetzt die Entwicklung einer computer-Programm, das helfen kann, Onkologen finden Sie die beste individuelle Behandlung für jeden Patienten. Die Hoffnung ist, um in der Lage sein Heilung weit mehr Patienten.
Eine der häufigsten Krebs-Krankheiten mit schlechten Prognosen ist Lungenkrebs. Jedes Jahr 3.000 diagnostiziert mit dieser unheimlichen Krankheit. 2,200 sterben. In der Tat, Lungenkrebs, nimmt sich so viele Jahre das Leben als Brustkrebs, Prostatakrebs und Darmkrebs zusammen.
„Obwohl die Behandlung hat sich verbessert, wir sind noch immer fehlen Werkzeuge, um in der Lage sein zu entscheiden, die beste Behandlung für den einzelnen“, sagt Åslaug Helland, die sowohl ein professor an der Universität von Oslo in Norwegen und Kliniker, die für Patienten mit Lungenkrebs an der Oslo University Hospital, Radium-Krankenhaus.
Einige Ihrer Patienten beginnen die Behandlung mit einer Chemotherapie, die Immuntherapie. Die Immuntherapie ist eine moderne Behandlung, die stimuliert das körpereigene Immunsystem zur Bekämpfung des Krebses. Obwohl viele Menschen bekommen gute Hilfe von Immuntherapie, es funktioniert nur bei der Hälfte der Patienten.
„Das problem ist, dass wir nicht wissen, wer profitiert von der Immuntherapie. Wenn das Medikament nicht funktioniert, nach zwei oder drei Runden, werden wir etwas anderes versuchen, wie die klassischen Chemotherapeutika, aber dann haben wir schon verspielt mal, die ausgegeben wurden, die auf andere Behandlung. Wir brauchen daher ein system, dass sagt, was ist die beste und effektivste Behandlung für jeden Patienten – und mit den wenigsten möglichen Nebenwirkungen,“ Åslaug Helland Punkte aus dem forschungsmagazin Apollon.
Genau das ist die große Idee von Arnoldo Frigessi, professor für Statistik an der Universität von Oslo, wer führt sowohl der Oslo-Zentrum für Biostatistik und Epidemiologie und BigInsight, ein Zentrum für Forschung-basierte innovation.
Seine Idee ist die Verwendung mathematischer und statistischer Methoden zu entwickeln, die ein computer-Programm, dass wird vorschlagen, die beste Behandlung von Krebs. Arnoldo Frigessi ist ein Experte in der Beschreibung Biologischer Prozesse mit mathematischen Modellen. Er arbeitet eng mit allen von Onkologen und Pathologen, molekular-Biologen, Statistiker und Mathematiker.
„Heute ist die Behandlung hilft nicht, drei von zehn Krebspatienten. Die Krebszellen können sich auch als resistent gegen die Medikamente, die Sie erhalten. Die Medikamente müssen dann ersetzt werden. Könnte eine der Lösungen sein, dass die Patienten mehrere Krebsmedikamente in der gleichen Zeit?“, fragt Arnoldo Frigessi.
Dies ist weit schwieriger als man denken würde. Stell dir vor, dein Onkologe hat die Möglichkeit zu wählen zwischen 300 verschiedene Medikamente für eine bestimmte Krebserkrankung. Wenn der Arzt zu wählen, die beste Kombination von zwei verschiedenen Arzneimitteln aus dieser Auswahl, er hat nicht weniger als 45.000 verschiedene Behandlungsmöglichkeiten.
„Das multipliziert die Möglichkeiten zu dem Punkt, wo es unmöglich für den Arzt, um herauszufinden, welche Kombination von Medikamenten am besten funktioniert.“
Es ist nicht möglich zu testen, alle möglichen Kombinationen von Drogen, die mit herkömmlichen klinischen Studien. In klassischen klinischen Studien, die zwei Gruppen von Patienten verglichen werden. Man Medikament A, die andere Medikament B. Jedoch, der Arzt will jetzt bieten personalisierte Medizin zu einer Patienten-Gruppe, die besteht aus nur einem Patienten. Dies macht es unmöglich, zur Durchführung von klassischen Prüfungen der verschiedenen Arten von Behandlungen.
Stattdessen Arnoldo Frigessi die Lösung ist, um Hunderte von tausenden von virtuellen Kopien der Patienten-und test-alle Behandlungen auf ein Modell zur simulation auf dem computer zu finden, die beste Behandlung.
Lungenkrebs-Experte Åslaug Helland ist der Auffassung, dass eine solche simulation Modell ändern kann, die Zukunft der Krebsbehandlung. „Wir glauben fest daran, dass es möglich sein Angriff auf den Krebs von verschiedenen Fronten gleichzeitig. Dann müssen wir wissen, welche Kombinationen der Medikamente funktionieren am besten in jedem einzelnen Fall“, sagt Åslaug Helland.
Die Kombination von Optionen erhöht, noch mehr durch das testen der verschiedenen Dosen und die Reihenfolge, in der die Medikamente eingenommen.
„Es gibt unendlich viele Möglichkeiten hier, und es gibt eine Menge, die wir nicht kennen. Das Simulationsmodell kann uns helfen, festzustellen, welche Kombination ist die beste Behandlung für den individuellen Patienten, anstatt die Zeit für Behandlungen, die nicht helfen“, Åslaug Helland Punkte aus.
Das Simulationsmodell ist eine so genannte multi-Skalen-Modell, mit mathematischen Modellen werden, was geschieht, von der molekularen Ebene bis zu der Größe der Krebs-Tumor.
„Wir sammeln alle möglichen Daten von den Patienten und berechnen können, wie die Behandlung wirkt sich auf die chemischen und physikalischen Reaktionen, die in Millionen von verschiedenen Zellen. Dann können wir simulieren, wie sich der Krebs entwickelt hätte, bei all den verschiedenen Therapien. Maschinen arbeiten Sie schnell. Unser Ziel ist, dass wir vielleicht in der Lage sein, um zu testen, hunderttausend verschiedene Behandlungen im Laufe von einer Nacht, und dann sagen die zehn Medikamente am besten funktionieren“, zeigt Arnoldo Frigessi.
Um dies zu erreichen, müssen die Wissenschaftler mathematisch beschreiben, wie sich der Klumpen von Krebs-Funktionen, wie viele Zellen er besteht, wie dicht die Krebszellen sind, und wo die Blutgefäße sind. Sie haben auch beschrieben, die Energiebilanz und die Chemische und physikalische Reaktionen in den Zellen.
Ihre Daten enthält, genomische Biomarker, Histopathologie und Magnetresonanz-Bilder.
„Dann verwenden wir das mathematische Modell zu beschreiben, den Zustand der Krebszellen für die nächsten zwölf Wochen, während der Beschuss mit verschiedenen Medikamenten. Einige Medikamente können nur töten die Zelle im moment teilt es sich in zwei. Wir beschreiben, wie jede Zelle lebt, entwickelt sich, spaltet sich, und stirbt. Wir müssen auch die Berechnung der Höhe der Medizin gebraucht, um die Zellen zu töten und die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht.“
Sauerstoff zu den Krebszellen
Die Forscher modellieren, wie sich die Zellen mit einander sprechen, wie die Blutgefäße wachsen und sterben, und wie der Sauerstoff verteilt sich im Gewebe. Das Blut transportiert Sauerstoff zu den Krebszellen. Wenn die Sauerstoffzufuhr Stoppt, den Tumor zu sterben.
„Die Zellen brauchen Sauerstoff, um zu atmen. Wenn die Zellen bekommen nicht genug Sauerstoff, Sie in Schwierigkeiten sind. Das mathematische Modell erklärt, wie die Zellen sind dabei abhängig von der Menge an Sauerstoff“, sagt Arnoldo Frigessi.
Das Simulationsmodell ist sehr kompliziert. Sie haben um ihn zu bauen, Stück für Stück. Ein wesentlicher Teil ist genau zu simulieren, was notwendig ist, zu verringern die Blutversorgung des Tumors.
Einige der Simulationen zeigen, dass der Krebs wieder aufflammt. „Es kann sein, dass das Medikament gegeben wurde, zu selten oder zur falschen Zeit.“
Krebs braucht eine Menge Blut zu wachsen. Das Blut, die Sie benötigen, Krebszellen produzieren ein spezielles Eiweiß, das gibt Bescheid, wo die Blutgefäße wachsen sollte. Ihr Modell muss daher auch berücksichtigen, wie die Menge des bestimmten proteins ändert. Eine schwierige balance ist hier am Werk.
„Wenn die Gefäße zerstört werden, wird die Chemotherapie nicht erreichen wird, die Krebszellen.“ Die Drogen, die Folgen der Blutgefäße und müssen verlassen die Gefäße, wo sich die Krebszellen befinden. Das Programm beschreibt, wie viel Medikamente ist Auswaschung aus den Blutgefäßen und, wenn Sie Auftritt.
„Dies variiert von patient zu patient und muss daher festgestellt werden, bevor die simulation ausgeführt werden kann.“ Das Verfahren ist einfach. Der patient nimmt ein Kontrastmittel. Dann ist es möglich zu untersuchen, wie schnell das Kontrastmittel sickern aus den Blutgefäßen auf der MRT-scan.
Leider, die information ist gut versteckt in den riesigen Mengen von Daten aus der MRT-Untersuchung. Arnoldo Frigessi muss daher entwickeln statistische Methoden, um festzustellen, wie schnell die Blutgefäße in die einzelnen leach Drogen.
Numerische Paradies
Das Simulationsmodell ist randvoll mit stochastischen Modellen, die beschreiben zufällige Ereignisse, multi-scale-Modelle, die eine mathematische Beschreibung, wie sich der Krebs entwickelt sich in verschiedenen Dimensionen, und nicht zuletzt: partielle differentialgleichungen beschreiben Entwicklungen in Raum und Zeit.
Die Simulationen ausgeführt werden müssen Hunderte von den tausenden Zeiten. Dann ist es wichtig zu optimieren Sie das Programm so, dass Sie so schnell wie möglich laufen. Dies ist, wo die numericians die Szene betreten. Numerische Analysten sind Experten in der Lösung mathematischer Probleme mit dem computer. Hier Arnoldo Frigessi hat festgebundenes Marie Rognes, chief researcher am Simula Research Laboratory.
Mit Ihrem know-how, die Gleichungen können gelöst werden, viele hundert mal schneller. Dann wird es möglich sein, zu simulieren, viel größere Teile des Tumors, ohne Zeit zu verlieren.
„Wir simulieren, wie sich der Tumor entwickelt sich jede halbe Stunde. Zahlenmäßig ist es imposible zu tun es weniger oft. Die Berechnungen werden dann ungenau. Eine Reihe von Berechnungen gemacht werden müssen, für jede Einheit der Zeit. Und die Simulationen durchgeführt werden müssen, für all die verschiedenen Vorschläge, die für jede zur Behandlung von Krebs,“, sagt Marie Rognes.
Sie hat zwei große Schritte zur Optimierung des Programms. Eine ist, erstellen Sie einen code, der errät die richtige Lösung wesentlich schneller. Die zweite Sache, die Sie werden schließlich zu arbeiten, ist die Programm den code, so dass die Simulationen parallel ausgeführt werden können auf einem high-performance-computer gleichzeitig, indem Sie Tausende von Daten-Prozessoren.
Getestet auf Brustkrebs
Das Simulationsmodell wurde zunächst getestet, bei Patienten mit Brustkrebs. Es gibt eine Reihe von verschiedenen Arten von Brustkrebs. Etwa 3.500 Vertrag Brustkrebs jedes Jahr. Neun von zehn überleben.
Forscher erhalten haben, detaillierte Daten aus dem Ullevål-Krankenhaus/Radium Hospital auf, wie die vier Patienten, die bereits behandelt wurden, für Brustkrebs erging.
„Das Simulations-Programm erreicht die gleichen Ergebnisse darüber, wie sich der Krebs entwickelt.“ Dies bedeutet, dass Ihre Simulationen verglichen die Realität.
In Ihren Simulationen, haben Sie derzeit nur modelliert den Effekt auf zwei Arten von der Chemotherapie. „Wir müssen alle Medikamente, die verwendet werden. Sie alle arbeiten anders“, sagt Frigessi.
Brustkrebs kann in zwei Hauptkategorien unterteilt: Krebs-Zellen mit und ohne östrogen-Rezeptoren. Zellen mit östrogen-Rezeptoren sind die am einfachsten zu stoppen, durch die Blockierung der Rezeptoren. Die andere Gruppe ist schwieriger. Chemotherapie funktioniert gut auf Zellen, die sich schnell teilen, aber leider sind einige Patienten erleiden einen Rückfall.
Ärzte haben Richtlinien auf, wie Sie die Behandlung von Brustkrebs, je nachdem, wie die Zellen Aussehen und welche Art von Rezeptoren, die Sie haben.
„Diese Leitlinien bauen auf viele Jahre Erfahrung und wissen aus klinischen Studien. Es gibt eine fülle von Behandlungsmöglichkeiten und Möglichkeiten. Bevor wir gehen und werfen uns in alle medizinischen Kombinationen außerhalb der Richtlinien, es gibt immer noch Nischen innerhalb dieser, können wir weitere Studie,“ sagt Professor Vessela Kristensen an der Universität Oslo. Sie ist eine der führenden des Landes-Forscher bei Brustkrebs.
Sie sagt, es ist wichtig, um knock out alle Krebszellen. Es ist nicht genug, um knock out der Löwenanteil. „Die wenigen verbleibenden Krebszellen sind, die gefährlich sind. Der Punkt ist daher, ein mathematisches Modell für die Patienten, deren Behandlung nicht funktioniert. Obwohl die meisten Menschen überleben den Brustkrebs, das ist die häufigste form von Krebs bei Frauen, den kleinen Prozentsatz, die einen Rückfall erleiden noch Summen viele Frauen“, Vessela Kristensen Punkte aus.
Chefarzt Olav Engebråten, wer ist ein Experte in das Projekt, ist skeptisch, ob die Simulationen können zu einer Verbesserung der Behandlung in der kurzen Frist. Er ist ein Arzt und einer der führenden Experten in der Behandlung von Brustkrebs an der Oslo University Hospital.
„Die Idee ist spannend. Es kann interessant sein, langfristig aber das problem ist die Breite Variante, die Krebs-Erkrankungen sind per se. Das Markenzeichen von Krebs ist Veränderung und Instabilität. Die Systeme müssen gut genug sein, wählen Sie die Medikamente, die Arbeit oder nicht Arbeit, basierend auf der Charakteristik des Tumors,“ Olav Engebråten Punkte aus.
Einige Patienten-Gruppen erhalten gezielte Behandlung. Andere nicht. Unter denen, die nicht erhalten, eine gezielte Behandlung gibt es sieben bis acht verschiedene standard-Behandlungen. „Einige standard-Kombinationen sind gut belegt“, sagt Olav Engebråten.
Er ist vor allem skeptisch darüber, dass der Umgang mit einem computer-Programm, das wird deuten auf eine optimale Kombination von Medikamenten, die nicht getestet wurden, bevor Sie. „Durch die Kombination und Anpassung der Medikamente ist sehr anspruchsvoll. Viele von Ihnen arbeiten auf das Knochenmark und andere Gewebe. In der Klinik, wir in der Regel nicht kombinieren Drogen, bis der Effekt ist gut getestet. Wenn wir berechnen eine Patienten Medikament Dosierung, müssen wir wissen, wenn der patient aushalten kann, die Behandlung. Das normale Gewebe muss Leben,“ sagt er, hinzufügen:
„Wir erleben es immer wieder, dass die Patienten an der Krankheit sterben. Wir können nicht heilen, jeder, aber es ist zusätzlich wichtig, dass wir tun, was wir können, um zu verhindern, dass Patienten sterben, von der Behandlung selbst. Wir können nicht werfen vorsorge über Bord.“
Er ist auch skeptisch gegenüber dem aktuellen Modell zur simulation von Blutgefäßen in den Tumor. „Dieses Modell ist eine Vereinfachung der Realität. Alle Annahmen sind nicht genug. Auch wir brauchen mehr Daten“, stellt Engebråten. Allerdings, fügt er hinzu, dass die langfristige Simulationen können interessant sein für diejenigen Patienten, die nicht profitieren von der aktuellen Behandlung.
Die überlebensrate für Patienten mit Brustkrebs bis zu 90 Prozent. Aber die Prognosen sind ärmer für diejenigen, die mit umfangreichen Krankheit, wie, wenn es breitet sich auf die Lymphknoten. „Umso schlechter ist die Prognose für das überleben ist, desto größer ist das Potenzial des Simulationsmodells. Wir könnten dann in der Lage sein, mehr Leben zu retten auf lange Sicht. Damit wäre fantastisch gewesen, um solch ein Simulations-tool, das könnte uns helfen, wählen Sie die richtige Behandlung für solche Patienten,“ Anmerkungen Engebråten.
Arnoldo Frigessi schätzt die Skepsis der ärzte. „Ich bin froh, dass die ärzte sind skeptisch. Es hilft uns, zu verbessern, die Modelle so, dass Sie realistischer geworden. Ich denke, eines Tages, dass Simulationen wird ein Teil der klinischen Praxis, aber wir sind noch nicht da“, sagt Frigessi.
Åslaug Helland ist nicht so kritisch wie Olav Engebråten. Sie denkt, es könnte interessant sein zu simulieren Blutgefäße. „Es ist zwar natürlich, zu denken, dass wir töten einen Tumor, der durch wegnehmen seiner Blutversorgung, die Ergebnisse dieser Strategie sind vielfältig. Wir können immer noch die Simulationen zeigen, profitieren von dieser Behandlung,“ Åslaug Helland Hoffnungen.
Vessela Kristensen fest, dass bestimmte Behandlungen zerstören die Neubildung von Blutgefäßen. „Simulation von Blutgefäßen ist weiterhin nur eine von den vielen Dingen, die Teil des Simulationsmodells. Die Anzahl der Blutgefäße ist einfach zu Messen. Wir versuchen daher zu simulieren, die Krebs-Bekämpfung Effekte der Zerstörung von Blutgefäßen.“
Sie glaubt kann das Modell zeigen eine Korrelation mit den Blutgefäßen, die vorher nicht bekannt, und fügte hinzu: „Derzeit, wir simulieren lediglich einen kleinen Teil der Realität. Das Simulationsmodell kann sich noch ändern Zukunft der Krebsbehandlung. Die medizinische Behandlung beruht auf Erfahrung. Dieses Erlebnis dauert eine lange Zeit, um aufzubauen. Manchmal funktioniert es nicht. Das Simulationsmodell kann diesen Prozess beschleunigen,“ Vessela Kristensen glaubt.
Ihr ganzer Punkt ist, kurz zusammengefasst:
„Nun, wir brauchen nicht zu warten, für die Generationen sterben zu akkumulieren genug Erfahrung. Die mathematischen Modelle können die Essenz aller Erfahrungen und kommen schneller Schlussfolgerungen. Wir sparen somit Zeit und Leben mit diesen Modellen. Sie können eine Verbesserung der derzeitigen Praxis“, Vessela Kristensen glaubt.
Maus-Modell
Wenn die simulation das Programm hat seine Vorschläge, die Onkologen können überprüfen die Behandlung im Labor, bevor der patient Arzneimittel. „Eine Möglichkeit ist, die Stücke des Tumors in verschiedene Schiffe und testen Sie, ob die Krebszellen sterben mit den verschiedenen Kombinationen von Medikamenten“, sagt Lungenkrebs-Spezialist Åslaug Helland.
Eine weitere Möglichkeit ist das testen der vorgeschlagenen Behandlung auf Mäuse oder zebrafische. Ein paar Zellen werden dann aus dem Tumor und eingefügt in die test-Tiere, die eine individuelle Behandlung. In den Vereinigten Staaten, in den Kliniken sind bereits Tests der Tumor in der Maus und versuchen, zu behandeln Mäuse mit verschiedenen Arten von Behandlungen. Die Methode hat jedoch auch seine Schwächen:
„Nicht alle Tumoren wachsen in Mäusen, die Experimente verwenden eine Menge von Mäusen, und die Methode ist sehr teuer“, sagt Vessela Kristensen.
Wahrscheinlichkeit
Arnoldo Frigessi betont, dass das Simulationsmodell nicht in der Lage, eine 100-Prozent bestimmten Ergebnis.
„Jedoch, wird der Arzt eine Antwort erhalten aus dem Programm: egal ob 80 oder 40 Prozent bestimmte. Macht es einen Unterschied. Das Programm muss in der Lage sein zu sagen, dass das Ergebnis ist ungewiss, da einige Parameter, wie die Menge der Medikamente Auswaschung aus den Blutgefäßen, sind unsicher. Ich glaube daher, dass es wichtig ist, zu quantifizieren die Unsicherheit. Das Programm muss auch in der Lage sein zu sagen, ob die Behandlung des Patienten wird leicht oder schwer,“ Frigessi Punkte aus.
Norwegian Medicines Agency
Letztlich ist der Kliniker muss Vertrauen haben in das Simulationsprogramm. „Keine ärzte, die es Wagen, verwenden Sie die empfohlene Kombination Behandlungen, wenn niemand es getan hat, bevor. Die ärzte müssen Vertrauen in den Algorithmus. Meine Frage ist, wie aktivieren ärzte, um deren Vertrauen in diese algorithmen.“