Matematik giver mere effektiv kræftbehandling
RUC’s matematiske kortlægning af blodkræft udspringer af en invitation fra Sjællands Universitetshospital. Hans Hasselbalch, overlæge ved hæmatologisk afdeling, kontakter i 2015 Roskilde Universitet for at få hjælp til en bedre forståelse af, hvordan blodproduktion og kræft påvirker hinanden. Målsætningen har fra dag ét været at udvikle metoder, der med større statistisk sikkerhed kan sammenligne eksisterende behandlingstilbud og målrette dem til den enkelte patient.
På universitetet sidder Morten Andersen, som er matematiker og arbejder i grænselandet mellem matematik og biologi. I de seneste år er hovedparten af tiden som forsker på RUC blevet brugt på at omsætte biologisk viden om sygdomme til matematisk modellering, som kan skubbe til både forståelsen af sygdommen og guide til de mest effektive behandlings tilbud.
Bedre samlet billede af kræftsygdommen
Han er en del af RUC’s fagmiljø i matematisk biovidenskab, som er én blandt få grupper i Europa, der har specialiseret sig i matematisk kræftforskning. I særdeleshed koblingen mellem blodkræft og kronisk inflammation, der opstår som en del af kroppens immunforsvar, når kræften rammer. Det har skabt en ny ramme for at forstå, hvordan blodproduktion, kræft og inflammation påvirker hinanden. Ud fra kliniske data – oftest blodprøver – kan modellen mere detaljeret beskrive, hvad læger skal måle på for at stille præcise diagnoser, hvordan kræften udvikler sig, og om kræftbehandlingen er effektiv.
»Vi har mange solide resultater fra den biologiske forskning, som udgør brikkerne i det puslespil, som vi forsøger at samle for at forstå kræft. Men hvis vi ikke kan omsætte biologien til ligninger og modeller, vi kan regne på, er det næsten umuligt at gennemskue, hvad de enkelte delresultater betyder for det samlede billede af sygdommen. Når vi sætter matematik til biologien, kan vi fokusere på de væsentligste årsager og undersøge, hvilke mulige udfald der er matematisk. Den viden kan vi føre direkte tilbage til de læger, der behandler patienter,« fortæller Morten Andersen, der sammen med sine kollegaer nu har opstillet matematiske modeller i tæt samarbejde med læger og molekylær biologer fra Sjællands Universitetshospital.
»Baseret på målinger i de første måneder, efter at en ny behandling er sat i gang, hjælper modellerne til at sige noget om, hvad der sker over tid. Modellerne kan altså både indfange kræftudvikling og effekterne af behandling. For med baggrund i modellerne kan vi dokumentere, at hvis man skruer på få parametre, vil antallet af kræftceller falde i stedet for at stige. Så sagt meget firkantet kan vores model sammenholdt med individuelle kliniske data fastslå, hvornår og hvordan patienternes sygdom når ned under et kritisk niveau,« siger Morten Andersen.
Samarbejdet har ikke alene givet adgang til at analysere eksisterende blodprøve data fra patienter. Læger og forskere på tværs af naturvidenskab på Roskilde Universitet har også sammen kunnet optimere, hvad der præcis skal måles på i blodprøverne for at kunne opstille præcise modeller, som kan guide til bedre diagnoser og behandlings forløb.
Matematikkens mikroskop
I matematisk kræftforskning fungerer modeller og ligninger som et matematisk mikroskop, der kan se ind steder, hvor forskere normalt ikke kan måle: I en syg patient er det eksempelvis umuligt at måle på alting på én gang. Selv hvis det var muligt, er det vanskeligt at teste, hvad der er årsag og virkning. Særligt når kroppens præcise mekanismer for blodproduktion kommer ud af balance.
»Forestillingen om, at vi skal forsøge at måle på alting på én gang – hvilket teoretisk set ville være fantastisk – er i virkelighedens verden helt håbløs. Blodprøver kan tages ofte og relativt smertefrit, men det er svært at måle på noget i knoglemarven. For selv om det er muligt at tage biopsier i knoglemarven, er det ikke noget, man skal gøre hele tiden: Det gør hammer ondt på patienten.«
Selv hvis forskere og læger var villige til at se stort på smerter og ubehag for patienter, er det med de nuværende metoder hverken muligt at måle samtidigt eller ofte nok på alle interessante parametre. En matematisk model derimod giver mulighed for at koble processerne, så målinger af 90% af systemet indirekte afslører ny viden om de 10% af systemet, der ikke kan måles på. For ligningerne opsætter snævre bånd for, hvordan det umålelige teoretisk kan opføre sig:
»En matematisk model giver mulighed for at ændre i effekterne og dermed også afgøre, hvad der er årsag og virkning. Derfor komplementerer vores forskning i høj grad den kliniske forskning. Vi kan lave mange undersøgelser i en matematisk model, uden at det er til skade for mennesker. Også undersøgelser det ville være stærkt uetisk at foretage på mennesker,« forklarer Morten Andersen.
100 mia. blodceller om dagen
En rask krop producerer hver dag lige så mange blodceller, som der er stjerner i Mælkevejen. Det bliver til i alt ca. 100 mia. nye blodceller af forskellige typer, og kroppen regulerer meget præcist, hvordan blod bliver produceret. Processen starter i knoglemarven, mens de modne blodceller cirkulerer i blodårene. Denne afkobling imellem, hvor cellerne bliver produceret i kroppen, og hvor de bliver anvendt, er helt central for forståelsen af blodkræft: Sygdommen opstår, når reguleringen holder op med at virke præcist, og der eksempelvis bliver produceret for mange af én slags celler, eller når cellerne ikke fungerer efter hensigten. Ved ’myeloprofilerative neoplasier’, den type af blodkræft som Morten Andersen har undersøgt, er den indledende konsekvens af sygdommen, at der bliver produceret for mange blodceller. Det betyder typisk, at det første tegn på sygdommen er, at patienterne får en blodprop.
Matematisk modellering bliver central for at forstå sygdommen, fordi det kan være måden at gennemskue, hvad der er årsag og konsekvens i et uhyre kompleks samspil af processer. For der er ikke tale om en én-vejs-udvikling fra blodcellernes opståen i knoglemarven og til blodets funktion i kroppen: Et helt netværk af feedback-signaler kommunikerer tilbage og regulerer produktionen af blodceller i knoglemarven, hvor sunde, blodproducerende stamceller konkurrerer med muterede kræft-stamceller om plads og adgang til næringsstoffer. En proces der igen påvirkes af, hvordan kroppens immunforsvar reagerer ved at hæve niveauet af kronisk inflammation.
»Aktuelt undersøger vi nærmere, om det i sig selv giveren bedre prognose for kræft, hvis vi kan hæmme inflammation i kroppen,« forklarer Morten Andersen.
»Vores matematiske beregninger har givet os grund til at overveje, om vi kan påvirke selve kræftsygdommen positivt ved at hæmme inflammation.«
Et unikt samarbejde
For Morten Andersen er noget det mest centrale ved den matematiske kræftforskning på Roskilde Universitet, at den sker i et tæt, forpligtende samarbejde med en klinisk afdeling på et hospital – og på baggrund af en konkret henvendelse, hvor læger ønsker en større matematisk indsigt for at kunne sammenligne effekten af forskellige behandlinger:
»Det giver mig blod på tanden, når jeg ser, hvor langt vi på Roskilde Universitet er kommet inden for matematisk kræftforskning i vores samarbejde med læger. Det er alvorlige problemer, vi forsøger at løse, og jeg har store forventninger til, at vi om 20 eller 30 år har betydet meget for mange menneskers liv og sundhed.«
Udgivet i Rubrik #16, 2019
Om kræftformen Myeloprofilerative Neoplasier
Mange sætter nok instinktivt lighedstegn mellem blodkræft og leukæmi, men i realiteten findes der en lang række forskellige typer af blodkræft. Morten Andersen og hans forskningsgruppe har i de seneste år lavet matematisk modellering af kræftformer kendt som myeloprofilerative neoplasier. Fælles for disse kræftsygdomme er, at de stamceller i knoglemarven, der skal blive til blodceller, vokser ukontrolleret. Sygdommen hører under de såkaldte ’kroniske myeloprofilerative sygdomme’. I Danmark levede 4125 personer med den diagnose ved udgangen af 2016. Kilde: Kræftens Bekæmpelse