Gepubliceerd in Natuurfysica, bevindingen van een nieuwe studie onder leiding van Cleveland Clinic en Case Western Reserve University-teams laten voor het eerst zien hoe ideeën uit de kwantumfysica kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe medicijninterventies voor bacteriële infecties en kanker.

Het onderzoeksteam toonde aan dat principes van kwantumcontrole, een gebied van kwantumfysica dat wordt gebruikt in computertoepassingen, kunnen worden vertaald en toegepast op biologische problemen. Ze construeerden een wiskundig algoritme dat kan worden gebruikt om specifieke interventies te ontwerpen en te versnellen om resistentie tegen geneesmiddelen te voorkomen of om te buigen.

Doorgaans evolueren cellen in de aanwezigheid van medicijnen volgens de darwinistische natuurlijke selectie:mutanten die resistent zijn tegen het medicijn, kunnen hun vatbare buren overtreffen, de bevolking domineert. Niet intuïtief, men kan dit proces ook coöpteren om het tegenovergestelde resultaat te bereiken, uiteindelijk het verslaan van resistentie tegen geneesmiddelen. Bijvoorbeeld, een mutatie die resistentie tegen het ene medicijn veroorzaakt, kan extreme gevoeligheid voor een ander veroorzaken, een fenomeen dat bekend staat als onderpandgevoeligheid.

"Als die mutant aanvankelijk maar een klein deel van de populatie is, we kunnen de eerste drug gebruiken om zijn dominantie aan te moedigen, en breng dan het tweede medicijn aan om de infectie snel uit te roeien, " zei arts-wetenschapper Jacob Scott, MD, DPhil, een praktiserend radiotherapeut-oncoloog bij Cleveland Clinic en co-senior auteur van het onderzoek, verwijzend naar bevindingen uit een studie die zijn groep eerder dit jaar publiceerde. "Maar we weten ook dat de eerste fase traag kan zijn:mutaties komen op willekeurige tijdstippen voor, en lang genoeg wachten totdat de mutant het volledig overneemt, kan de effectiviteit van de behandeling en de resultaten voor de patiënt in gevaar brengen. De tijd die nodig is om ervoor te zorgen dat deze interventies succesvol zijn, is een belangrijke beperking geweest bij het toepassen van evolutionaire geneeskunde in de klinische praktijk."

Het versnellen van dit proces is waar de kwantumfysica inspiratie kan bieden. "De willekeur van mutaties in de evolutie heeft intrigerende wiskundige parallellen met de willekeur van kwantumverschijnselen, " volgens prof. Michael Hinczewski, een theoretisch biofysicus aan de Case Western Reserve University en co-senior auteur. "Deze willekeur maakt het een uitdaging om een ​​kwantumsysteem betrouwbaar en snel van de ene staat naar de andere te sturen. Het oplossen van dit aandrijfprobleem is een essentieel ingrediënt in bepaalde soorten kwantumcomputers. Onze nieuwe studie maakt gebruik van deze parallellen, het vertalen van een bepaalde kwantumtechniek die bekend staat als contradiabatisch rijden in de taal van de evolutionaire biologie."

"Stel je voor dat je probeert een systeem in korte tijd een gewenst pad te laten volgen van een initiële naar een uiteindelijke toestand - of dit pad nu een opeenvolging van kwantumtoestanden is of variërende proporties van mutanten in een evoluerende populatie, " zei prof. Hinczewski. "Tegendiabatisch rijden is een vorm van dynamische correctie, net genoeg externe interventie bieden om het systeem op elk moment op het pad te houden, hoe snel het protocol ook is."

De onderzoekers creëerden een wiskundig algoritme om deze interventie te berekenen in toepassingen van evolutionaire geneeskunde. De output van het algoritme is een recept voor het dynamisch wijzigen van de medicijndoseringen of -types om op het doelpad te blijven. Het team demonstreerde hun techniek door deze te gebruiken om evolutie te manipuleren in simulaties van levende cellen. Deze simulaties waren gebaseerd op experimentele gegevens van een eerder onderzoek naar een reeks mutanten die een verschillende mate van resistentie tegen malariamedicijnen vertoonden.

Counterdiabatic driving veranderde het aandeel mutanten, die de algehele gevoeligheid voor geneesmiddelen van de bevolking beïnvloeden, sneller en met een betere controle dan zou kunnen worden verwacht met behulp van de huidige experimentele methoden in de evolutionaire geneeskunde.

Gezien de veelbelovende bevindingen van het team, de volgende fase van hun onderzoek zal zijn om de aanpak direct experimenteel te testen. Als het eerste voorbeeld van contradiabatisch rijden in een biologische context, de onderzoekers hopen dat hun werk een basis kan vormen voor een nieuw studiegebied:op kwantum geïnspireerde biologische controle. De onderzoekers zijn van plan deze ideeën toe te passen op andere biologische systemen die overeenkomsten vertonen met evolutie, zoals stamcelontwikkeling en ecologie.