Publicerad i Naturfysik, resultat från en ny studie som leds av teamen från Cleveland Clinic och Case Western Reserve University visar för första gången hur idéer från kvantfysik kan hjälpa till att utveckla nya läkemedelsinterventioner för bakterieinfektioner och cancer.

Forskargruppen visade att principerna för kvantkontroll, ett område av kvantfysik som används i datortillämpningar, kan översättas och tillämpas på biologiska problem. De konstruerade en matematisk algoritm som kan användas för att designa och påskynda specifika ingrepp för att förhindra eller vända läkemedelsresistens.

Typiskt utvecklas celler i närvaro av droger enligt Darwinistiskt naturligt urval:mutanter som är resistenta mot drogen kan konkurrera ut sina mottagliga grannar, dominerar befolkningen. kontraintuitivt, man kan också använda denna process för att uppnå motsatt resultat, slutligen besegra läkemedelsresistens. Till exempel, en mutation som orsakar resistens mot ett läkemedel kan orsaka extrem känslighet för ett annat, ett fenomen som kallas säkerhetskänslighet.

"Om den mutanten initialt bara är en liten del av befolkningen, vi kan använda den första drogen för att uppmuntra dess dominans, och applicera sedan det andra läkemedlet för att snabbt utplåna infektionen, " sa läkare-forskaren Jacob Scott, MD, DPhil, en praktiserande strålningsonkolog vid Cleveland Clinic och medförfattare till studien, hänvisar till resultat från en studie som hans grupp publicerade tidigare i år. "Men vi vet också att det första steget kan vara långsamt:mutationer inträffar vid slumpmässiga tidpunkter, och att vänta tillräckligt länge tills mutanten helt tar över kan äventyra behandlingseffektiviteten och patientens resultat. Den tid det tar att säkerställa att dessa interventioner är framgångsrika har varit en betydande begränsning för att anta evolutionär medicin i klinisk praxis."

Att påskynda denna process är där kvantfysiken kan ge inspiration. "Slumpmässigheten av mutationer i evolutionen har spännande matematiska paralleller till kvantfenomens slumpmässighet, " enligt prof. Michael Hinczewski, en teoretisk biofysiker vid Case Western Reserve University och co-senior författare. "Denna slumpmässighet gör det utmanande att på ett tillförlitligt och snabbt sätt driva ett kvantsystem från ett tillstånd till ett annat. Att lösa detta körproblem är en viktig ingrediens i vissa typer av kvantberäkningar. Vår nya studie utnyttjar dessa paralleller, översätta en speciell kvantteknik känd som kontradiabatisk körning till evolutionsbiologins språk."

"Föreställ dig att försöka få ett system att följa en önskad väg från ett initialt till ett slutligt tillstånd under en kort tid - oavsett om denna väg är en sekvens av kvanttillstånd eller varierande proportioner av mutanter i en växande population, ", sa Prof. Hinczewski. "Kontradiabatisk körning är en form av dynamisk korrigering, tillhandahåller precis tillräckligt med extern intervention för att hålla systemet på väg vid varje ögonblick oavsett hur snabbt protokollet är."

Forskarna skapade en matematisk algoritm för att beräkna denna intervention i evolutionär medicintillämpningar. Algoritmens utdata är ett recept för att dynamiskt ändra läkemedelsdoserna eller -typerna för att hålla sig på målvägen. Teamet demonstrerade sin teknik genom att använda den för att manipulera evolutionen i simuleringar av levande celler. Dessa simuleringar baserades på experimentella data från en tidigare studie på en uppsättning mutanter som visar olika grader av resistens mot anti-malaria läkemedel.

Kontradiabatisk körning förändrade andelen mutanter, påverkar befolkningens övergripande läkemedelskänslighet, snabbare och med bättre kontroll än vad som kunde förväntas med nuvarande experimentella metoder inom evolutionär medicin.

Med tanke på lagets lovande resultat, nästa fas av deras forskning kommer att vara att genomföra direkta experimentella tester av tillvägagångssättet. Som det första exemplet på kontradiabatisk körning i ett biologiskt sammanhang, forskarna är hoppfulla att deras arbete kan ge en grund för ett nytt studieområde:kvantinspirerad biologisk kontroll. Forskarna planerar att tillämpa dessa idéer på andra biologiska system som delar likheter med evolution, som stamcellsutveckling och ekologi.