本發(fā)明屬于基因信息控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種藥物分子的同步控制方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

癌癥細(xì)胞嚴(yán)重威脅著人類健康，是全世界醫(yī)學(xué)努力攻克的難題，癌癥細(xì)胞具有擴(kuò)散性和無序性，細(xì)胞擴(kuò)散軌道難以控制，所以目前的治療模型采取的方法是放療和化療。放療是利用放射線治療腫瘤的方法，放射線包括放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ射線和各類x射線治療機(jī)或加速器產(chǎn)生的x射線、電子線、質(zhì)子束及其他粒子束等。大約70％的癌癥患者在治療癌癥的過程中需要用放射治療，約有40％的癌癥可以用放療根治。但是放療屬于局部治療，只對治療部位的腫瘤有效，對于潛在的轉(zhuǎn)移病灶和已經(jīng)發(fā)生臨床轉(zhuǎn)移的癌癥就難以發(fā)揮有效治療。

化療是一種全身治療的手段，通過使用化學(xué)治療藥物殺滅癌細(xì)胞達(dá)到治療目的。無論采用什么途徑給藥(口服、靜脈和體腔給藥等)，化療藥物都會(huì)隨著血液循環(huán)遍布全身的絕大部分器官和組織。因此，對一些有全身播撒傾向的腫瘤及已經(jīng)轉(zhuǎn)移的中晚期腫瘤，化療都是主要的治療手段。

然而，不管是放療還是化療方法，其在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)也殺死了健康細(xì)胞，被治療者常常會(huì)出現(xiàn)嘔吐、腹瀉、貧血、抵抗力下降等副作用，為了降低這些副作用，迫切需要研發(fā)藥物分子對癌細(xì)胞的一對一控制的模型及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的一種藥物分子的同步控制方法及其應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)藥物分子對癌細(xì)胞的一對一同步控制，減少藥物分子對健康細(xì)胞的損傷。

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種藥物分子的同步控制方法，包括以下步驟：

s1，對隨機(jī)游走的癌細(xì)胞以及自由擴(kuò)散的藥物分子分別建立數(shù)學(xué)模型，得到癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程；

式(1)中，(x,y)表示平面位置坐標(biāo)，p(x,y,t)表示癌細(xì)胞在平面有界區(qū)域內(nèi)的濃度值，q(x,y,t)表示藥物分子在平面有界區(qū)域內(nèi)的濃度值，δp表示癌細(xì)胞自身的擴(kuò)散作用，δq表示藥物分子自身的擴(kuò)散作用，d1表示癌細(xì)胞的擴(kuò)散系數(shù)，d2表示藥物分子的擴(kuò)散系數(shù)，h表示藥物分子的吸收系數(shù)，k表示癌細(xì)胞游走時(shí)受到的阻力系數(shù)，v(p,q)表示癌細(xì)胞與藥物分子間的信號(hào)傳遞對癌細(xì)胞濃度的影響，u(p,q)表示癌細(xì)胞與藥物分子間的信號(hào)傳遞對藥物分子濃度的影響；

s2，找出藥物分子和癌癥細(xì)胞之間必存在的耦合作用，即對已建的癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程確定耦合項(xiàng)滿足：

式(2)中，d＝d1+d2，ε1、ε2是我們要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。為此，令ε1、ε2服從式(3)的演變規(guī)律：

式(3)中，m、n是兩個(gè)定常數(shù)；

s3，將所述耦合方程分別帶入癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程，得到藥物分子同步控制的反應(yīng)擴(kuò)散模型：

將式(3)和式(2)帶入式(1)后我們得到最終的反應(yīng)擴(kuò)散模型為：

式(4)中d＝d1+d2，k,h,d1,d2,m,n均是定常數(shù)，其中k、h∈[0.1,1],d1、d2∈[0.01,0.1],m、n∈[100,500]；

s4，利用式(4)所述的反應(yīng)擴(kuò)散模型進(jìn)行藥物分子與癌細(xì)胞的同步控制。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種上述藥物分子的同步控制方法在癌細(xì)胞化療所用的藥物劑量選擇中的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的藥物分子的同步控制方法具有以下有益效果：本發(fā)明提出的藥物分子對癌細(xì)胞的一對一控制的模型及方法有效地降低化療等方法的副作用，通過建立藥物分子同步控制的反應(yīng)擴(kuò)散模型，實(shí)現(xiàn)藥物分子對癌細(xì)胞的一對一同步控制，減少藥物分子對健康細(xì)胞的損傷，在癌細(xì)胞化療所用的藥物劑量選擇時(shí)，使藥物的劑量應(yīng)用更加科學(xué)，藥物的選擇和配置更加合理。解決了現(xiàn)有的放療、化療方法在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)也殺死了健康細(xì)胞，由此產(chǎn)生較大副作用的問題。

附圖說明

圖1為在無耦合前提下，癌細(xì)胞和藥物分子在平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖；

圖2為癌細(xì)胞和藥物分子之間的耦合作用簡圖；

圖3為藥物剛被注入時(shí)(t＝0)，癌細(xì)胞和藥物分子在[0,100]×[0,100]上的濃度差圖；

圖4為藥物被注入2s(t＝2s)時(shí)，癌細(xì)胞和藥物分子在[0,100]×[0,100]上的濃度差圖；

圖5為藥物被注入5s(t＝5s)時(shí)，癌細(xì)胞和藥物分子在[0,100]×[0,100]上的濃度差圖；

圖6為藥物被注入10s(t＝10s)時(shí)，癌細(xì)胞和藥物分子在[0,100]×[0,100]上的濃度差圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但不應(yīng)理解為本發(fā)明的限制。下面實(shí)施例中如未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，均按照本領(lǐng)域的常規(guī)方法和條件進(jìn)行。

實(shí)施例1

本發(fā)明提供的一種藥物分子的同步控制方法，以腫瘤癌細(xì)胞為例，包括以下步驟：

s1，對隨機(jī)游走的癌細(xì)胞以及自由擴(kuò)散的藥物分子分別建立數(shù)學(xué)模型，得到癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程。

我們在平面上對隨機(jī)游走的癌細(xì)胞和自由擴(kuò)散的藥物分子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，結(jié)果如圖1所示，圖1為在無耦合前提下，癌細(xì)胞和藥物分子在平面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖，癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程參見式(1)，癌細(xì)胞和藥物分子間的動(dòng)力學(xué)相互作用過程則表現(xiàn)為宏觀上的信號(hào)傳遞過程，而癌細(xì)胞和藥物分子之間信號(hào)的有效傳遞也就意味著癌癥被有效治療，這種有效治療體現(xiàn)為兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)(癌細(xì)胞的概率濃度方程和藥物分子的概率濃度方程)的同步過程。

式(1)中，(x,y)表示平面位置坐標(biāo)，p(x,y,t)表示癌細(xì)胞在平面有界區(qū)域內(nèi)的濃度值，q(x,y,t)表示藥物分子在平面有界區(qū)域內(nèi)的濃度值，δp表示癌細(xì)胞自身的擴(kuò)散作用，δq表示藥物分子自身的擴(kuò)散作用，d1表示癌細(xì)胞的擴(kuò)散系數(shù)，d2表示藥物分子的擴(kuò)散系數(shù)，h表示藥物分子的吸收系數(shù)，k表示癌細(xì)胞游走時(shí)受到的阻力系數(shù)，v(p,q)表示癌細(xì)胞與藥物分子間的信號(hào)傳遞對癌細(xì)胞濃度的影響，u(p,q)表示癌細(xì)胞與藥物分子間的信號(hào)傳遞對藥物分子濃度的影響。需要說明的是，為簡單起見，將(1)式等號(hào)左邊的p(x,y,t)在等號(hào)右邊記為p，(1)式等號(hào)左邊的q(x,y,t)在等號(hào)右邊記為q。

2013年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)授予了發(fā)現(xiàn)細(xì)胞囊泡運(yùn)輸調(diào)控機(jī)制的3位科學(xué)家，被注入體內(nèi)的藥物分子正是由囊泡所包圍，從而在正確的時(shí)間里被運(yùn)輸?shù)秸_的耙點(diǎn)位置，3位科學(xué)家初步解釋了囊泡對于所運(yùn)送貨物的精確識(shí)別、定向運(yùn)輸以及目的地卸載的機(jī)制過程，此處囊泡的作用與動(dòng)力學(xué)中耦合函數(shù)的作用是等同的，這也是我們對上述兩個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)添加耦合器的生物學(xué)背景，參見圖2。

s2，基于藥物分子和癌癥細(xì)胞間存在的信號(hào)傳遞現(xiàn)象，找出藥物分子和癌癥細(xì)胞之間必存在的耦合作用(總體思路參見圖2)，對已建的癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程添加了耦合方程：

式(2)中，d＝d1+d2，ε1、ε2是我們要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確控制的目的。為此，令ε1、ε2服從式(3)的演變規(guī)律：

式(3)中，m、n是兩個(gè)定常數(shù)。

s3，將所述耦合方程分別帶入癌細(xì)胞概率濃度方程和藥物分子概率濃度方程，得到藥物分子同步控制的反應(yīng)擴(kuò)散模型。

將式(3)和式(2)帶入式(1)后我們得到最終的反應(yīng)擴(kuò)散模型為：

式(4)中d＝d1+d2，k,h,d1,d2,m,n均是定常數(shù)，其中k、h∈[0.1,1],d1、d2∈[0.01,0.1],m、n∈[100,500]。

需要說明的是，上述式(1)-(4)中帶有相同下標(biāo)或者相同符號(hào)的相同字母代表相同含義，同時(shí)也具有取值范圍，每個(gè)式子中不重復(fù)描述。

利用matlab軟件對式(4)進(jìn)行數(shù)值仿真，觀察不同時(shí)間癌細(xì)胞和藥物分子在[0,100]×[0,100]上的濃度差，結(jié)果如圖3、圖4、圖5、圖6所示。圖3-6中是我們對癌細(xì)胞和藥物分子濃度差隨時(shí)間變化的模擬圖，縱軸表示癌細(xì)胞和藥物分子的濃度差(圖3-6分別對應(yīng)的時(shí)間為：t＝0s、t＝2s、t＝5s、t＝10s)，隨時(shí)間的增大，濃度差接近0，即隨著藥物被注入時(shí)間t的延長，癌細(xì)胞和藥物分的濃度差值趨于0，也就是說通過耦合作用藥物分子和癌癥細(xì)胞達(dá)到了同步狀態(tài)，也就是說我們的理論分析結(jié)果與癌細(xì)胞的精準(zhǔn)治療是吻合的，這也就是信號(hào)被有效傳遞的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。至此，我們通過同步控制的方法從動(dòng)力學(xué)角度解釋了這種耙向治療的信號(hào)傳遞機(jī)制，圖3-6的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果也驗(yàn)證了我們這種理論的正確性。通過式(4)實(shí)現(xiàn)藥物分子對癌細(xì)胞的一對一同步控制，減少藥物分子對健康細(xì)胞的損傷，在癌細(xì)胞化療所用的藥物劑量選擇時(shí)，使藥物的劑量應(yīng)用更加科學(xué)，藥物的選擇和配置更加合理。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。