Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Obok najskuteczniejszej w walce z nowotworami, ale też niezwykle wyczerpującej dla organizmu chemioterapii, naukowcy badają i wprowadzają do użytku różne inne terapie, które najczęściej wspierają, a rzadziej zastępują chemioterapię. Jedną z nich jest immunoterapia adoptywna, u podstaw której leży założenie, że organizm posiada właściwe narzędzie do pozbycia się niechcianych komórek przez układ odpornościowy (immunologiczny), trzeba tylko odpowiednio nim pokierować, żeby tych narzędzi użył we właściwy sposób. Chodzi więc o naturalną, tj. własną reakcję organizmu, który jest pobudzany w odpowiedni sposób przez różnorodne zewnętrzne czynniki. Tego typu terapia nie tylko jest badania, ale i stosowana, również w Polsce. Okazuje się jednak, że jej ustalenie i właściwe pokierowanie jest bardzo skomplikowane. Naukowcy z Cornell University jako narzędzie wsparcia zaproponowali matematyczną teorię gier.

 – Teoria gier dostarcza modeli do wielu ludzkich zachowań, obrazuje zarówno działania w świecie ekonomii jak i systemy reakcji biologicznych. Dlaczego by więc nie spróbować stworzyć modelu dla interakcji między różnymi typami komórek rakowych, które konkurują między sobą o to, która lepiej się rozmnoży w nowotworze – opowiada Alex Vladimirsky, profesor matematyki w the College of Arts and Sciences Cornell University i współautor (senior author) najnowszej publikacji dotyczącej takiego właśnie badania. – Żeby jednak skutecznie wpływać na relacje między komórkami rakowymi, musimy najpierw bardzo dobrze zrozumieć na czym te relacje polegają.

Artykuł  opisujący te badania nosi tytuł „Optimizing Adaptive Cancer Therapy: Dynamic Programming and Evolutionary Game Theory" i został właśnie opublikowany w czasopiśmie „Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences”.

Prof. Vladimirsky i jego doktorant, a przy tym główny autor publikacji, Mark Gluzman do opracowania tego problemu posłużyli się ewolucyjną teorią gier, czyli teorią gier przystosowaną do rozwoju organizmów żywych według tego, jak opisuje je teoria ewolucji. Żeby znaleźć zastosowanie tej teorii w terapii nowotworowej, nawiązali współpracę z onkologiem z kliniki uniwersyteckiej, Jacobem Scottem, który dostarczył całą gamę potencjalnych przypadków do analizy, oraz wiedzy o tym, jak różne komórki rakowe funkcjonują i współistnieją. Na tej podstawie badacze wspólnie stworzyli model interakcji trzech subpopulacji raka płuc, które różnią się od siebie ze względu na to, w jakie relacje wchodzą z tlenem.

Ich badania pokazały, że teoria gier może być szczególnym wsparciem w przypadku, kiedy w nowotworze współistnieją trzy typy komórek. Komórki glikolityczne (GLY) są beztlenowe, to znaczy że w ogólne nie potrzebują tlenu do funkcjonowania. Natomiast zarówno „Nadproducenci naczyniowi” (ang. VOP, vascular overproducers) jak i “uciekinierzy” (ang. DEF, defectors) wymagają tlenu do życia, ale tylko komórki typu VOP są gotowe do wydatkowania energii na wytwarzanie białek, których działanie ma na celu zwiększenie ilości tlenu w komórkach. Jak się okazuje, komórki ten działają na siebie nawzajem niekorzystnie, rywalizując i niszcząc się wzajemnie.

Ten typ reakcji prof. Vladimirsky porównuje do gry w papier, kamień i nożyce, w której przeciwko sobie grają miliony ludzi. Kiedy większość grających wybiera „kamień”, to coraz więcej graczy zaczyna wybierać „papier”, to jednak powoduje, że zwiększa się liczba osób, które wybierają „nożyce” i tak dalej.

– Mamy więc trzy populacje i trzy strategie działania komórek rakowych, które w naturalnych warunkach oscylują w rywalizacji między sobą. Podawanie odpowiednich leków jest w tym przypadku jak tymczasowe zmienianie reguł w czasie gry – tłumaczy prof. Vladimirsky. – Naturalnie, pojawia się pytanie jak i w jaki sposób zmieniać zasady tak, żeby osiągnąć nasze cele dzięki minimalnym kosztom, to znaczy jak doprowadzić do szybkiego wyzdrowienia bez faszerowania pacjenta maksymalnymi dawkami leków. Dzięki naszym obliczeniom udało się zaprojektować “mapę”, która pokazuje jakie i kiedy stosować leczenie.

We współczesnej praktyce klinicznej pacjenci z nowotworami leczeni chemioterapią dostają zwykle najwyższą dawkę leku jaką ich ciała są w stanie wytrzymać. Efekty uboczne takiej terapii mogą być dla organizmu druzgocące. Na dodatek, przesadne stosowanie leków chemicznych może sprawić, że część komórek, która przetrwa, uodporni się na chemię i będzie jeszcze większym wyzwaniem w przyszłości. Wyniki badań wprowadzające ewolucyjną teorię gier pokazują, że odpowiednio stosowana terapia „adoptywna”, może prowadzić do pozytywnych efektów przy znacząco zredukowanej ilości chemioterapii.

Oczywiście będzie to możliwe o ile matematyczny model przetrwa próbę rzeczywistości znacznie bardziej skomplikowanej niż teoretyczne wyliczenia. Autorzy mają świadomość tego, że ich praca jest początkiem całego cyklu badań, a nie gotowym do zastosowania rozwiązaniem.

Źródło badań: Mark Gluzman, Jacob G. Scott and Alexander Vladimirsky, Optimizing adaptive cancer therapy: dynamic programming and evolutionary game theory. Proceedings of the Royal Society B. Biological Sciences. https://doi.org/10.1098/rspb.2019.2454

Opracowano na podstawie artykułu: David Nut, Game theory suggests more efficient cancer therapy, opublikowanego na portalu Cornell Universtity w ramach "Cornell Chronicle".