Υπολογιστικη Προσομοιωση Αποκρισης Νεοπλασματων Σε Θεραπευτικες Επεμβασεις Με Χρηση Διακριτων Μαθηματικων

Abstract

Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται η θεωρητική θεμελίωση και η ανάπτυξη - υλοποίηση ενός πρωτότυπου τετραδιάστατου μοντέλου προσομοίωσης της συμπεριφοράς καρκινικού όγκου τύπου νεφροβλαστώματος και της απόκρισής του σε χημειοθεραπευτική αγωγή συγκεκριμένου σχήματος χορήγησης βινκριστίνης. Αρχικά παρουσιάζεται μια βιβλιογραφική επισκόπηση αντιπροσωπευτικών προσπαθειών μαθηματικής μοντελοποίησης και υπολογιστικής προσομοίωσης της ανάπτυξης καρκινικών όγκων και της ανταπόκρισης αυτών και των φυσιολογικών ιστών σε διάφορα θεραπευτικά σχήματα. Στο πρώτο κεφάλαιο δίνονται κάποια βασικά στοιχεία του κλινικού προβλήματος το οποίο προσομοιώνεται, δηλαδή της χημειοθεραπευτικής αντιμετώπισης του νεφροβλαστώματος πριν την χειρουργική εξαίρεση. Το νεφροβλάστωμα είναι ένας κακοήθης όγκος του νεφρού που εμφανίζεται κυρίως σε παιδιά ηλικίας κάτω των 5 ετών. Δίνονται κάποια γενετικά στοιχεία για την ασθένεια και οι κύριοι τρόποι αντιμετώπισης.Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετάται αναλυτικά η φαρμακολογία της βινκριστίνης, τόσο σε συστημικό (φαρμακοκινητική) όσο και σε κυτταρικό επίπεδο (φαρμακοδυναμική). Τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής μελέτης και η μαθηματική και ποιοτική ανάλυσή τους παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες για την προσομοίωση της κυτταροτοξικής δράσης του φαρμάκου και της απόκρισης του όγκου στην χημειοθεραπεία.Οι αλγόριθμοι προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν καθώς και πρακτικά ζητήματα που αφορούν στην υλοποίηση τους είναι τα θέματα του τρίτου κεφαλαίου. Η βασική ιδέα είναι η μοντελοποίηση με κυτταρικά αυτόματα του κυτταρικού κύκλου και των υπόλοιπων πιθανών μεταβάσεων μεταξύ των καταστάσεων στις οποίες μπορεί να βρεθεί ένα κύτταρο. Ο όγκος τοποθετείται εικονικά σε ένα πλέγμα διακριτοποίησης, κάθε γεωμετρική κυψελίδα του οποίου θεωρείται ότι καταλαμβάνει συγκεκριμένο χώρο και άρα μπορεί να περιέχει ένα περιορισμένο αριθμό από κύτταρα. Ολισθήσεις των περιεχομένων σειρών κυψελίδων του πλέγματος προκειμένου να προστεθεί στον ή να αφαιρεθεί από τον όγκο μια κυψελίδα, ανάλογα με την πορεία του κυτταρικού πληθυσμού οδηγούν στην προσομοίωση της αύξησης σε μέγεθος ή τη συρρίκνωση του όγκου. Το μοντέλο υλοποιήθηκε στην γλώσσα C++ με βάση τις αρχές του αντικειμενοστρεφούς προτύπου προγραμματισμού, με σκοπό να διευκολυνθεί η μελλοντική επέκταση του και η επαναχρησιμοποίηση του κώδικα. Γίνεται εκτενής παρουσίαση των κλάσεων που ορίστηκαν.Τα αποτελέσματα του προσομοιωτικού μοντέλου, έλεγχοι αξιοπιστίας και παραμετρικές μελέτες βρίσκονται στο τέταρτο κεφάλαιο. Η χρησιμότητα ανάπτυξης μοντέλων in silico (υπολογιστικής) ογκολογίας διαφαίνεται μεταξύ άλλων και από τις απαιτήσεις του ευρωπαϊκού προγράμματος IST "ACGT" (Advancing Clinico-Genomic Clinical Trials on Cancer: Open Grid Services for Improving Medical Knowledge Discovery) και συνοψίζεται στα εξής σημεία :- υποστήριξη των ιατρών στην λήψη αποφάσεων σχετικά με την επιλογή θεραπευτικών σχημάτων και εξατομικευμένη βελτιστοποίηση της θεραπευτικής αγωγής,- διεξαγωγή in silico πειραμάτων με σκοπό την διερεύνηση και έλεγχο νέων θεραπευτικών στρατηγικών, - εκπαίδευση - ενημέρωση ιατρών, βιολόγων, ερευνητών και ασθενών σχετικά με την πιθανή απόκριση όγκων σε διαφορετικά υποψήφια σχήματα θεραπείας.