Tilpasning af ideer fra kvantefysik til beregning af alternative interventioner for infektion og kræft

Udgivet i Naturfysik, resultater fra en ny undersøgelse, der blev ledet af Cleveland Clinic og Case Western Reserve University-teams, viser for første gang, hvordan ideer fra kvantefysik kan hjælpe med at udvikle nye lægemiddelinterventioner mod bakterielle infektioner og kræft.

Forskergruppen demonstrerede, at principperne for kvantekontrol, et område med kvantefysik, der bruges i computerapplikationer, kan oversættes og anvendes på biologiske problemer. De konstruerede en matematisk algoritme, der kan bruges til at designe og fremskynde specifikke interventioner for at forhindre eller vælte lægemiddelresistens.

Normalt udvikler celler i nærvær af lægemidler sig efter Darwinistisk naturligt udvalg:mutanter, der er resistente over for stoffet, kan udkonkurrere deres modtagelige naboer, dominerer befolkningen. Modsat, man kan også co-opt denne proces for at opnå det modsatte resultat, i sidste ende besejre lægemiddelresistens. For eksempel, en mutation, der forårsager resistens over for et lægemiddel, kan forårsage ekstrem modtagelighed for et andet, et fænomen kendt som collateral sensitivitet.

"Hvis den mutant i første omgang kun er en lille brøkdel af befolkningen, vi kan bruge det første stof til at fremme dets dominans, og derefter anvende det andet lægemiddel til hurtigt at udslette infektionen, "sagde læge-videnskabsmand Jacob Scott, MD, DPhil, en praktiserende stråling onkolog ved Cleveland Clinic og co-senior forfatter på undersøgelsen, med henvisning til resultater fra en undersøgelse, hans gruppe offentliggjorde tidligere på året. "Men vi ved også, at den første fase kan være langsom:mutationer forekommer tilfældigt, og at vente længe nok, indtil mutanten fuldt ud overtager, kan kompromittere behandlingseffektivitet og patientresultater. Den tid, det tager at sikre, at disse interventioner lykkes, har været en betydelig begrænsning for at anvende evolutionær medicin til klinisk praksis. "

At fremskynde denne proces er, hvor kvantefysik kan give inspiration. "Tilfældigheden af ​​mutationer i evolutionen har spændende matematiske paralleller til tilfældigheden af ​​kvantefænomener, "ifølge professor Michael Hinczewski, en teoretisk biofysiker ved Case Western Reserve University og medforfatter. "Denne tilfældighed gør det udfordrende at pålideligt og hurtigt drive et kvantesystem fra en tilstand til en anden. At løse dette drivproblem er en væsentlig ingrediens i visse former for kvanteberegning. Vores nye undersøgelse udnytter disse paralleller, oversættelse af en bestemt kvanteteknik kendt som kontradiabatisk kørsel til evolutionær biologis sprog. "

"Forestil dig at prøve at få et system til at følge en ønsket vej fra en initial til en endelig tilstand i løbet af kort tid - uanset om denne vej er en sekvens af kvantetilstande eller varierende proportioner af mutanter i en udviklende befolkning, "sagde prof. Hinczewski." Moddiabatisk kørsel er en form for dynamisk korrektion, giver lige nok ekstern intervention til at holde systemet på banen i hvert øjeblik uanset hvor hurtigt protokollen er. "

Forskerne lavede en matematisk algoritme til at beregne denne intervention i evolutionær medicin applikationer. Algoritmens output er en recept til dynamisk ændring af lægemiddeldoser eller typer for at blive på målbanen. Holdet demonstrerede deres teknik ved at bruge den til at manipulere evolution i simuleringer af levende celler. Disse simuleringer var baseret på eksperimentelle data fra en tidligere undersøgelse af et sæt mutanter, der viste varierende grad af resistens over for malaria-lægemidler.

Moddiabatisk kørsel ændrede andelen af ​​mutanter, påvirker befolkningens generelle lægemiddelsensitivitet, hurtigere og med bedre kontrol end man kunne forvente ved hjælp af nuværende eksperimentelle metoder inden for evolutionær medicin.

I betragtning af holdets lovende resultater, den næste fase af deres forskning vil være at udføre direkte eksperimentel test af tilgangen. Som det første eksempel på kontradiabatisk kørsel i en biologisk kontekst, forskerne håber, at deres arbejde kan danne grundlag for et nyt studieområde:kvanteinspireret biologisk kontrol. Forskerne planlægger at anvende disse ideer på andre biologiske systemer, der deler ligheder med evolution, såsom stamcelleudvikling og økologi.