Парадокс Паррондо: когда поражение ведёт к победе
В теории игр описан парадокс Паррондо, демонстрирующий, что две проигрышные стратегии могут объединиться в выигрышную. Это контр-интуитивное явление проявляется в физике, финансах и биологии. Например, такие организмы, как медузы, чередуют одиночный и общинный образ жизни. Хотя одиночное существование делает их более уязвимыми к стрессам окружающей среды, общинные скопления могут привести к истощению ресурсов. По отдельности такие стили жизни создают проблемы для животных, но чередование между ними максимизирует их шансы на выживание.
Теперь Де-Мин Лю и его коллеги из Ланьчжоуского университета в Китае предложили способ использования парадокса Паррондо для лечения рака, объединив две терапевтические стратегии в одну, которая может быть более эффективной в определённых ситуациях.
Стратегии химиотерапии при раке
Для лечения большинства видов рака применяются две стратегии химиотерапии. Пациентам либо назначают максимально переносимую дозу (МПД) препарата через определённые интервалы, либо проводят химиотерапию в низких, но устойчивых дозах (ХНДД). Первый подход быстро убивает чувствительные к препарату раковые клетки, но даёт устойчивым к препарату клеткам возможность размножаться, усложняя лечение опухоли. При втором подходе оба типа раковых клеток могут выжить после терапии, что позволяет раку вернуться.
В последние годы врачи начали изучать адаптивную терапию — экспериментальный протокол лечения, который переключается между двумя схемами.
Адаптивная терапия
Адаптивная терапия исследуется для лечения видов рака, которые, как ожидается, невозможно полностью уничтожить. Её цель — замедление прогрессирования рака. «Адаптивная терапия направлена на поддержание размера опухоли в пределах управляемого диапазона за счёт использования конкуренции между чувствительными к препарату и устойчивыми к нему клетками», — объясняет Лю.
Однако это требует сложных методов, таких как секвенирование отдельных клеток, для количественной оценки долей чувствительных и устойчивых клеток. Эта информация вводится в модели прогрессирования рака для оценки оптимального времени переключения между схемами. Необходимость дорогостоящего и инвазивного мониторинга делает этот подход нецелесообразным.
Новая работа
Новая работа намекает на то, что такой уровень мониторинга может быть необязательным. Вместо этого переключение между двумя типами лечения может происходить в фиксированное время, выбранное на основе моделей развития рака. «Наши результаты показывают, что новые стратегии адаптивной терапии могут быть созданы путём простого чередования типичных схем химиотерапии», — говорит Лю.
Исследователи смоделировали пространственную модель экосистемы рака, населённую здоровыми клетками, а также чувствительными к препарату и устойчивыми к нему раковыми клетками. Чувствительные клетки подвергались лекарственной смерти со скоростью, пропорциональной концентрации препарата. Устойчивые клетки были полностью неуязвимы для препарата, но размножались медленнее чувствительных клеток, обменивая скорость роста на устойчивость.
Согласно симуляциям, при режиме ХНДД чувствительные клетки преобладали, когда доза препарата была слишком низкой, чтобы подавить их, в то время как устойчивые клетки преобладали при достаточно высокой дозе. В режиме МПД чередование между высокой дозой и отсутствием лечения приводило к тому, что устойчивые клетки в конечном итоге доминировали независимо от продолжительности периода включения-выключения. Более длинные циклы приводили к большему накоплению лекарственной устойчивости, поскольку в каждом цикле погибало гораздо больше чувствительных клеток, уступая место устойчивым.
Математический онколог Роберт Нобл из Городского университета Святого Георгия в Лондоне считает, что метод, описанный в новом исследовании, может быть не готов для применения в реальных клинических условиях. «Стратегия чередования терпит неудачу гораздо быстрее, и опухоль возвращается, если слегка изменить начальные условия», — добавляет Нобл. Лю и его коллеги планируют провести эксперименты in vitro, чтобы проверить свою математическую модель и выбрать параметры схемы, которые сделали бы их стратегию более надёжной в реальных условиях.
Тем не менее исследование иллюстрирует многообещающий сдвиг от стратегий лечения рака, которые не учитывают эволюционную динамику рака, говорит Нобл. «Это пример той бурно развивающейся области, где мы говорим: «А что, если мы используем то, что мы знаем об этой динамике?» Понимание этих динамик, по его словам, может стать ключом к разработке более умных терапий.
Преодоление разрыва в квантовой частоте
Многие квантовые технологии требуют передачи микроволновых сигналов между различными компонентами. Но данный компонент обычно может отправлять и принимать сигналы только в определённом, ограниченном диапазоне частот. Хотя эту проблему можно решить, добавив устройства, которые преобразуют микроволновые сигналы из одной частоты в другую, такие устройства часто ограничены по полосе пропускания или эффективности преобразования.
Теперь Юфэн Ву и его коллеги из Йельского университета продемонстрировали устройство, которое обеспечивает высокую эффективность преобразования в широком диапазоне частот. Устройство состоит из микроскопической схемы, нанесённой на тонкую плёнку из сверхпроводящего материала — нитрида ниобия, который расположен на кремниевой подложке. Схема имеет ряд точно спроектированных петель, похожих на волосы. Внутри этих петель микроволновой сигнал заданной частоты смешивается с сильным микроволновым импульсом для получения сигнала другой частоты. Этот сдвиг частоты можно настроить, применив магнитное поле к схеме и отрегулировав его силу.
Ву и его коллеги сообщают, что их устройство может работать в диапазоне частот от 4,85 до 8,5 ГГц с эффективностью преобразования от 80 % до 100 %. Важно отметить, что процесс преобразования добавляет мало шума к микроволновому сигналу и сохраняет его хрупкие квантовые свойства. Исследователи говорят, что универсальность устройства может помочь учёным повысить эффективность и интеграцию широкого спектра квантовых сетей и квантовых информационных процессоров, работающих на микроволновых частотах.