تتيح النماذج الرياضية التنبؤ بتأثير الأدوية والعلاجات الطبية
بقلم البروفيسور تسفيا إيجور، مجلة ساينتفيك أمريكان
بدأت الرياضيات الحيوية، وهي مجال علمي جديد نسبيًا يحلل الظواهر البيولوجية باستخدام نماذج رياضية، في التطور في النصف الثاني من القرن العشرين. كان هدفه هو دراسة مدى تعقيد العمليات البيولوجية. يعتمد عملي في هذا المجال على افتراض أن نفس القوانين تكمن وراء ديناميكيات الأنظمة البيولوجية المختلفة على مستويات مختلفة من التنظيم. على سبيل المثال، الصيغ الرياضية التي تصف معدل نمو مجموعات الأرانب يجب أن تتوافق أيضًا مع وصف نمو مجموعات الخلايا السرطانية.
على سبيل المثال، يقوم علماء الأحياء التجريبيون الذين يعملون على المستوى الخلوي بتطوير أدوات تحليلية تشبه في الأساس الكاميرا في عالم التصوير الفوتوغرافي. إنهم قادرون على رؤية العالم المجهري الذي يستكشفونه كمجموعة من الصور. من ناحية أخرى، فإن صيغ الرياضيات الحيوية، على سبيل المثال تلك التي تصف المسارات البيوكيميائية داخل الخلايا، تعطي في الواقع بعدًا للحركة للصور وتسمح لنا بمراقبة ديناميكيات العالم الذي ندرسه. بالإضافة إلى حقيقة أن مثل هذا "الفيلم" يحتوي على معلومات أكثر من سلسلة من الصور، فإنه يسمح أيضًا للعالم بدراسة النظام بشكل أكثر دقة وكفاءة. لقد أتاحت لي الرياضيات الحيوية تطوير واختبار نظريات جديدة تتناول تحسين علاج السرطان بطريقة غير ممكنة مع علم الأحياء التجريبي "للصور".
في الثمانينيات، استخدمت مبادئ من مجال علم الأحياء السكاني لتطوير صيغ بسيطة نسبيًا تصف نمو مجموعات مختلطة من الخلايا السليمة والخلايا السرطانية. أدى تحليل هذه الصيغ إلى اقتراح اعتماد أنظمة دوائية جديدة من شأنها أن تقلل بشكل كبير من سمية العلاج الكيميائي. وبمساعدة الأدوات الرياضية، تمكنا في هذه الحالة من إثبات عالمية النتائج النظرية، أي صحتها العامة. واليوم، يعد بحثنا في الشركة التي أسستها، أوبتيماتا، هو الأول من نوعه الذي ينجح، من خلال نماذج رياضية متطورة، في وضع تنبؤات كمية دقيقة لتأثير العلاج الطبي على المريض.
خلال بحثي، عرفت أن أساليب الرياضيات الحيوية يمكن أن تكون ذات فائدة كبيرة للأطباء في عملية صنع القرار. أدى هذا الاعتراف إلى تأسيس شركة Optimata، حيث قمنا بتطوير برنامج متطور يُعرف باسم "المريض الافتراضي". يمكن لهذا البرنامج أن يساعد الأطباء ومطوري الأدوية على تحديد الأنظمة الدوائية المحسنة لرعاية المرضى. وبمساعدة هذه الشركة التجارية التي تجري حاليا اختبارات سريرية واسعة النطاق للمريض الافتراضي، نأمل أن ننجح في تحويل مجالات الطب وتطوير الأدوية من مجالات تعتمد على التجربة والخطأ إلى مجالات تعتمد على التنبؤات العلمية.
وفي الأشهر المقبلة، نأمل أن نحقق نتائج إيجابية في التجارب السريرية الأولية واسعة النطاق الجارية حاليًا في المستشفيات في أوروبا وإسرائيل. تدرس هذه الاختبارات قدرة تقنيتنا على التنبؤ بدقة بسمية الأدوية المختلفة وتأثيرها على تطور سرطان الثدي. أملنا هو أن يستخدم كل طبيب وكل مستشفى هذه التكنولوجيا في نهاية المطاف لاختبار علاجات مختلفة للمرضى. وفي الوقت نفسه، يمكن لمطوري الأدوية استخدامه لتبسيط عملية التطوير.
تتكون تقنيتنا من ثلاثة أجزاء رئيسية (وحدات). الجزء المركزي هو المريض الافتراضي الذي يتطور في جسمه مرض يتم علاجه بالأدوية. يتفاعل المريض الافتراضي أيضًا مع ردود الفعل الفسيولوجية للعلاج الدوائي. ونتيجة لذلك، يتم الحصول على محاكاة واقعية للعمليات البيولوجية والدوائية المتوقع حدوثها في جسم المريض أو في مجموعة المرضى. يمكن للأطباء أو مطوري الأدوية اختبار دقة التوقعات الناتجة.
الجزء الثاني من التكنولوجيا يجعل من الممكن تحديد المتغيرات المميزة للمرضى المختلفين، وبالتالي تكييف المريض الافتراضي مع الوصف الشخصي لمرضى مختلفين أو مجموعات مختلفة من المرضى. والجزء الثالث، وربما الأكثر إثارة، هو الأداة التي قمنا بتطويرها والتي تتيح تحديد العلاج الأكثر فعالية لكل مريض حسب متطلبات الطبيب أو مطور الدواء.
من خلال تطوير النموذج الرياضي الذي يصف تطور المرض، من الممكن محاكاة تأثير الدواء على تطور المرض والتنبؤ بفعالية الدواء في مجموعة متنوعة من أنظمة الجرعات في مرضى مختلفين أو مجموعات المرضى. وهذا يجعل من الممكن حساب فرصة نجاح العلاج الدوائي المحتمل في علاج المرض أو على الأقل الحد منه. ومن خلال مساعدة مطوري الأدوية، أصبحنا قادرين على تقييم الفعالية المتوقعة لأي دواء على البشر حتى في مراحل التطوير قبل السريرية. عندما ينتقل الدواء إلى مرحلة الاختبار السريري، نكون قادرين على مقارنة فعاليته مع الأدوية المنافسة الموجودة بالفعل في السوق، لتقييم مدى جدوى التطوير. ولعل الأهم من ذلك كله هو أننا قادرون على تحسين النسبة بين فعالية الدواء وسميته بطريقة تتكيف مع مختلف المرضى.
نعتقد أن الوعي بهذا النوع من التكنولوجيا يتزايد في صناعة الأدوية. على سبيل المثال، تمكنا بالفعل من فك رموز أسباب سمية الدواء الذي تم رفض الموافقة على توزيعه من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) في وقت ما، لأن الشركة المصنعة لم تكن قادرة على شرح مصدر السمية . وفي حالة أخرى، توقف تطوير دواء آخر لأنه تسبب في استجابة مناعية، وأظهرنا أنه يمكن التغلب على هذه المشكلة إذا تم إعطاء الدواء بجرعة وتوقيت مختلفين. تلجأ إلينا شركات الأدوية لمساعدتها على تحسين المواد المرشحة للاستخدام كأدوية قبل الانتقال من التجارب على الحيوانات إلى التجارب السريرية على البشر.
في مجال تصميم العلاج بشكل شخصي لكل مريض، نتلقى المعلومات الأولية عن المريض من خلال الاختبارات الروتينية التي يتم إجراؤها عند دخوله إلى المستشفى لأول مرة. نقوم بتغذية هذه المعلومات إلى الكمبيوتر، الذي يعالج البيانات مثل الجنس والعمر وقطر الورم ووجود النقائل أو العلامات البيولوجية ويحولها إلى متغيرات سيتم تغذيتها للمريض الافتراضي (الذي هو في الواقع نوع من الاستنساخ الافتراضي للمريض). مريض خاص). أي أننا نأخذ المعلومات الحقيقية، لحمًا ودمًا، لبناء المريض الافتراضي. بعد أن يقوم الطبيب بإدخال نقاط النهاية العلاجية في البرنامج، أي النتائج المرجوة من العلاج، يقوم برنامج المريض الافتراضي بالتحقق من خيارات العلاج المختلفة ويقدم توصيات للطبيب. ولذلك يتم توفير طريقة ملائمة للأطباء لاستخدام أساليب حسابية دقيقة أثناء اتخاذ القرارات السريرية، وبالتالي نأمل أن نكون جزءًا لا يتجزأ من نظام الرعاية الطبية في المستقبل.
يمكن أن تؤثر النماذج الرياضية أيضًا على مجالات أخرى مثل الأجهزة الطبية أو التشخيص الجيني أو غيرها من المجالات المثيرة للاهتمام. على سبيل المثال، في مجال البروتينات (سلسلة البروتينات التي يتم التعبير عنها في خلايا مختلفة في أنسجة مختلفة) توجد حاليًا العديد من تقنيات الكمبيوتر التي تحلل العمليات الخلوية المرضية. إن الجمع بين تعقيد مجال البروتينات والنماذج الرياضية للأمراض يمكن أن يساعد الأطباء على محاكاة المتغيرات الفريدة لدى المرضى الذين يتلقون نوعًا ما من العلاج الدوائي وتحسين قدرتنا على التنبؤ بتطور الأمراض. ومن الممكن اليوم أيضًا إنتاج ملف جيني دقيق للمريض، بمساعدة الأساليب الموجودة المعروفة باسم البصمات الجينية. سيؤدي إدخال هذه المعلومات في البرنامج الذي يصف العمليات المعقدة التي تحدث على مستويات مختلفة من التنظيم في جسم المريض الحقيقي إلى تحسين القدرة التنبؤية لبرنامج المريض الافتراضي.
البروفيسور تسفيا إيجور، رئيس مجلس الإدارة وكبير العلماء في شركة أوبتيماتا (www.optimata.com)، هو عالم رياضيات حيوية معروف وقد ساهم بشكل كبير في مجالات نظرية المرض وتحسين العلاج الكيميائي وسياسة اللقاحات. البروفيسور إيجور هو أيضًا مؤسس معهد الرياضيات الحيوية الطبية (IMBM)، وعمل رئيسًا للجمعية الإسرائيلية لعلم الأحياء النظري والرياضي، وكان عضوًا في مجلس أمناء الجمعية الأوروبية لعلم الأحياء الرياضي، ويعمل كمحرر من العديد من المجلات العلمية. حازت أعمالها المبتكرة والأصيلة على العديد من الجوائز، وتم نشرها في مجلات علمية رائدة وحظيت بتقدير دولي. حصلت البروفيسور إيجور على درجة الدكتوراه من الجامعة العبرية في القدس وجامعة بروكسل الحرة.
تم تقديم المقال بمبادرة وبمساعدة برنارد ديشيك، محرر www.bioisrael.com، وهي مجلة إلكترونية تعنى بصناعة علوم الحياة الإسرائيلية.
موقع Scientific American الإلكتروني باللغة العبرية حيث يمكنك شراء الاشتراك في المجلة
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~457355360~~~82&SiteName=hayadan
