سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

سامانه ‏های غیرخطی در مهندسی برق

یک برنامه شیمی‌درمانی با قابلیت ضد‌رگ‌زایی برای درمان سرطان با رهیافت کنترل پیش بین مبتنی بر مدل غیرخطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی سیستم‌های هوشمند و علوم داده، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
چکیده
در این مطالعه، با هدف بهینه‌سازی میزان دوز داروی شیمی‌درمانی و ضد‌رگ‌زایی در کنترل رشد تومورهای سرطانی، از تکنیک کنترل پیش‌بین مبتنی بر یک مدل لجستیک استفاده شده است. به منظور کنترل دقیق و مؤثر تزریق دارو، مبنای این روش شاخص‌هایی چون کاهش جمعیت سلول‌های سرطانی و بهینه‌سازی مقدار داروی مصرفی است. برای بررسی رفتار مدل و تأثیر داروها تحت کنترل پیش‌بین، به دلیل حضور قیود متعدد و ماهیت غیرخطی مدل، از یک نرم‌افزار بهینه‌ساز به همراه شبیه‌سازی پاسخ مدل در نرم‌افزار متلب بهره گرفته شده است. بهینه‌سازی ضمنی موجود در این روش با شاخص‌های بهینگی هدفمند و تنظیم دقیق پارامترهای این شاخص منجر به طراحی پروتکل‌های بهینه دوزدهی برای درمان فردی سرطان شده است که می‌تواند به طور قابل‌توجهی کارآیی درمان را افزایش دهد. با لحاظ نمودن اغتشاش، نویز و عدم‌قطعیت‌ در پارامترهای مدل، مشاهده می‌شود روش پیشنهادی در برابر این تغییرات مقاوم بوده و عملکرد مطلوبی در کنترل بیماری خواهد داشت. در ادامه، با انجام اصلاحاتی در نحوه پیاده‌سازی کنترل پیش‌بین پیشنهادی، نتایج شبیه‌سازی تایید می‌کندکه با کاهش عوارض جانبی و افزایش اثربخشی درمان، حجم تومور به طور قابل‌توجهی کاهش یافته و مقدار داروی مصرفی نیز بهینه شده است. به علاوه، در مواجهه با نویز و اغتشاشات محیطی، جمعیت سلول‌های سرطانی و بهینه‌سازی میزان مصرف دارو به نحو قابل‌توجه‌ای کاهش داشته است. این دستاورد نه تنها به بهبود کیفیت زندگی بیماران مبتلا به سرطان کمک می‌کند، بلکه گامی مؤثر در راستای توسعه روش‌های درمانی پیشرفته و شخصی‌سازی‌شده محسوب می‌شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] F. Biemar, M. Foti, Global progress against cancer-challenges and opportunities, Cancer Biology and Medicine, vol. 10, no. 4, pp. 183–186, 2013.
[2] R. P. Araujo, D. L. S. McElwain, A history of the study of solid tumour growth: the contribution of mathematical modelling, Bulletin of Mathematical Biology, vol. 66, pp. 1039–1091, 2004.
[3] J. Poleszczuk, P. Hahnfeldt, H. Enderling, Therapeutic implications from sensitivity analysis of tumor angiogenesis models, PLoS One, vol. 10, no. 3, p. 0120007, 2015.
[4] U. Ledzewicz, H. Schättler, A. Friedman, E. Kashdan, Mathematical methods and models in biomedicine, Springer, 2012.
[5] J. C. Doloff, D. J. Waxman, Transcriptional profiling provides insights into metronomic cyclophosphamide activated innate immune-dependent regression of brain tumor xenografts, BMC Cancer, vol. 15, p. 375, 2015.
[6] F. F. Teles, J. M. Lemos, Cancer therapy optimization based on multiple model adaptive control, Biomedical Signal Processing and Control, vol. 48, pp. 255–264, 2019.
[7] R. A. Gatenby, J. S. Brown, Integrating evolutionary dynamics into cancer therapy, Nature Reviews Clinical Oncology, vol. 17, no. 11, pp. 675–686, 2020.
[8] A. Hernandez-Rivera, P. Velarde, A. Zafra-Cabeza, J. M. Maestre, Optimal drug administration in cancer therapy using stochastic non-linear model predictive control, European Control Conference, Stockholm, 2024.
[9] A. Bukkuri, Optimal control analysis of combined chemotherapy-immunotherapy treatment regimens in a PKPD cancer evolution model, Biomath, vol. 9, no. 1, p. 2002137, 2020.
[10] N. H. Sweilam, S. M. Al-Mekhlafi, T. Assiri, A. Atangana, Optimal control for cancer treatment mathematical model using Atangana–Baleanu–Caputo fractional derivative, Advances in Difference Equations, 2020, DOI: https://doi.org/10.1186/s13662-020-02793-9.
[11] E. Ioannidou, M. Moschetta, S. Shah, et al., Angiogenesis and anti-angiogenic treatment in prostate cancer: Mechanisms of action and molecular targets, International Journal of Molecular Sciences, vol. 22, p. 9926, 2021.
[12] M. Conti, S. Gatti, A. Miranville, Mathematical analysis of a phase-field model of brain cancers with chemotherapy and antiangiogenic therapy effects, AIMS Mathematics, vol. 7, no. 1, pp. 1536–1561, 2021.
[13] F. Lopes-Coelho, F. Martins, S. A. Pereira, J. Serpa, Anti-angiogenic therapy: current challenges and future perspectives, International Journal of Molecular Sciences, vol. 22, p. 3765, 2021.
[14] M. J. Ansari, D. Bokov, A. Markov, et al., Cancer combination therapies by angiogenesis inhibitors: a comprehensive review, Cell Communication and Signaling, vol. 20, no. 1, 2022.
[15] M. Y. Wang. J. G. Scott, A. Vladimirsk, Stochastic optimal control to guide adaptive cancer therapy, BioRxiv, 2022, DOI: https://doi.org/10.1101/2022.06.17.496649.
[16] J. Kohler, M. N. Zeilinger, Predictive control for nonlinear stochastic systems: closed-loop guarantees with unbounded noise, IEEE Transactions on Automatic Control, 2024, DOI: 10.1109/TAC.2025.3571575.
[17] S. A. N. Nouwens, B. de Jager, M. M. Paulides, W. P. M. H. Heemels, Constraint removal for MPC with performance preservation and a hyperthermia cancer treatment case study, IEEE Conference on Decision and Control, Austin, 2021.
[18] S. Belkhir, F. Thomas, B. Roche, Darwinian approaches for cancer treatment: benefits of mathematical modeling, Cancers, vol. 13, no. 17, p. 4448, 2021.
[19] S. M. Tu, C. C. Guo, D. S. L. Chow, N. M. Zacharias, Stem cell theory of cancer: implications for drug resistance and chemosensitivity in cancer care, Cancers, vol. 14, no. 6, p. 1548, 2022.
[20] F. Angaroni, A. Graudenzi, M. Rossignolo, D. Maspero, T. Calarco, An optimal control framework for the automated design of personalized cancer treatments, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2020.
[21] B. Smart, I. D. Cesare, L. Renson, L. Marucci, Model predictive control of cancer cellular dynamics: a new strategy for therapy design, Frontiers in Control Engineering, vol. 3, 2022.
[22] M. Gluzman, J. G. Scott, A. Vladimirsk, Optimizing adaptive cancer therapy: dynamic programming and evolutionary game theory, Proceedings of the Royal Society B, vol. 287, no. 1925, p. 20192454, 2020.
[23] S. T. R. Pinho, F. S. Bacelar, R. F. S. Andrade, H. I. Freedman, A mathematical model for the effect of anti-angiogenic therapy in the treatment of cancer tumors by chemotherapy, Nonlinear Analysis: Real World Applications, vol. 14, no. 1, pp. 815–828, 2013.
[24] E. A. Sarapata, L. G. De Pillis, A comparison and catalog of intrinsic tumor growth models, Bulletin of Mathematical Biology, vol. 76, no. 8, pp. 2010–2024, 2014.
[25] S. Ragusa, B. Prat-Luri, A. González-Loyola, et al., Antiangiogenic immunotherapy suppresses desmoplastic and chemo resistant intestinal tumors in mice, The Journal of Clinical Investigation, vol. 130, pp. 1199-1216, 2020.
[26] P. Khalili, S. Zolatash, R. Vatankhah, S. Taghvaei, Optimal control methods for drug delivery in cancerous tumour by anti-angiogenic therapy and chemotherapy, IET Systems Biology, vol. 15, no. 1, pp. 14-25, 2021.

  • تاریخ دریافت 02 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 10 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 08 آذر 1404
  • تاریخ اولین انتشار 08 آذر 1404
  • تاریخ انتشار 01 اسفند 1403