Распечатать запись Распечатать запись

Лечение болезней и математика

Анжела Рейнольдс, PhD, занимается преобразованием математики в биологию и биологии обратно в математику. Как прикладной математик, она может превратить химические реакции в математические уравнения.

Применяя математический аппарат, Рейнольдс разрабатывает модели, позволяющие лучше понять, как лечить раны и воспаления в легких пациентов, которые находятся на искусственной вентиляции легких.

Но это работа, которую Рейнольдс, преподаватель кафедры математики в Колледже гуманитарных и естественных наук Университета Содружества Вирджинии (VCU), не может делать в одиночку. Она сотрудничает с экспертами из Школы медицины, Медицинского центра и Школы инженерии.

Рейнольдс говорит о своих исследованиях, о междисциплинарных исследованиях в своем колледже и дает советы будущим исследователям.

Вопрос: Что такое математическая биология? Как Вы переходите от цифр к пониманию течения болезни?

Рейнольдс: Математика обычно делится на чистую и прикладную. Я занимаюсь прикладной математикой, в основном математической биологией. Я разрабатываю и анализирую математические модели основных биологических компонент, таких как клетки или белки, чтобы определить, как они взаимодействуют и влияют на другие факторы. Я использую математические уравнения, называемые дифференциальными уравнениями; я обращаю внимание на то, как быстро изменяется численность компонент. Например, я выясняю, как быстро клетка атакует бактерии. Понимая этот тип взаимодействия, я могу выяснить, что ведет к выздоровлению пациента или к тому, что он остается в болезненном состоянии.

Я использую числа и уравнения для оценки, насколько быстро все происходит. По сути, это ряд уравнений, которые моделируют взаимодействия. Затем я запускаю модель на компьютере и получаю графики и кривые, которые показывают, что происходит с данными клетками/белками для различных параметров. Так получаются числа, но искусство на самом деле состоит в том, чтобы создавать модели, которые дают возможность оценить количественно то, что биологи понимают качественно, и использовать эти модели для выдвижения биологических гипотез.

Вопрос: Одним из направлений Вашей работы является заживление ран. Как используется математика для понимания этого процесса?

Рейнольдс: В большинстве случаев раны хорошо заживают с течением времени, и после заживления остается шрам. Но в некоторых случаях раны заживают плохо. Я изучаю, что происходит в этих случаях – как воспаление вмешивается в способность заживления. Математически, мы пытаемся количественно оценить, как воспалительный процесс замедляет заживление и когда и как лучше всего вмешаться. Наше внимание сосредоточено на диабетической язве стопы. Именно эти раны часто не заживают. Мы исследуем, какое лечение лучше всего применять, например, использовать ли доставку кислорода к ране для ускорения заживления или устранять воспаление.

Я, используя математику, создаю модели, чтобы понять, где и почему дела идут плохо. Получая информацию, мы выигрываем. Я и мои коллеги, используя модель, имеем возможность развивать гипотезы и методы для более эффективного лечения ран. Конечно, выводы проверяются экспериментально, и именно там работают мои коллеги. Я работаю с большим количеством сотрудников, которые облегчают процесс моделирования и проверки гипотез.

Вопрос: Чем еще Вы занимаетесь?

Рейнольдс: Еще мы изучаем, как начинается воспаление в легких, когда пациент находится на искусственной вентиляции легких. Мы разрабатываем математические модели, учитывающие расход воздуха – где воздух проходит в легких и как этот воздушный поток может повлиять на ткани.

Например, если вентилятор создает слишком сильный воздушный поток, это может привести к повреждению легочной ткани и тело пациента посылает клеточные сигналы, которые приводят к воспалению. Мы пытаемся дать количественную оценку воспалительной реакции, так чтобы можно было разработать схемы лечения, которые сводили бы к минимуму возможность воспаления.

С возрастом наши легкие, ткани и дыхательные пути меняются и становятся более чувствительными. Мы считаем, что у пожилых пациентов эти изменения могут играть определенную роль в возникновении воспалительной реакции и связаны с тем, насколько хорошо они реагируют на вентиляцию легких. Таким образом, наши модели учитывают старение. В этой работе я сотрудничаю со специалистами в области техники и медицины нашего университета и университета штата Мичиган.

Вопрос: В Ваших исследованиях Вы сотрудничаете со многими экспертами. Как это происходит, и какие навыки необходимы для сотрудничества?

Рейнольдс: Атмосфера сотрудничества здесь очень сильна. Я принимала активное участие в совместных исследованиях после прихода в университет в 2008 году. Исследовательские группы, с которыми я работаю, включают экспертов в биоинженерии, биохимии, медицине и нескольких математиков.

Красота междисциплинарного сотрудничества состоит в том, что все знают свою область, знают, что в ней важно. Было бы трудно понять, что важно в каждом отдельном приложении, а также понять всю необходимую математику и биологию. У каждого из нас свой опыт, и мы его используем вместе.

Для того чтобы сотрудничать, мы все должны объяснить нашу часть работы так, чтобы другие члены группы ее поняли. Исторически математика преимущественно использовалась в физике, и физики много изучают математику. Но врачи и биологи столько не используют математику, так что существует разница в математических знаниях и методах. Математический биолог должен уметь объяснять. Я всегда говорю своим студентам, что очень важно говорить о математике так, чтобы другие люди могли это понять. Это очень важно, если вы собираетесь с кем-либо сотрудничать. Ваша команда должна понять, — может быть, не все детали, — но они должны понимать, что вы пытаетесь делать и почему вы пытаетесь это сделать. Половина успеха исследования — мотивация вашей работы и пробуждение интереса у других. Когда у вас есть люди увлеченные и работающие вместе, приходит успех.

Вопрос: Какие самые важные темы в Вашей области сегодня?

Рейнольдс: Происходит переход к медицине/лечению конкретного пациента, индивидуальному лечению. Поскольку мы можем собрать гораздо больше информации в электронные файлы, специалисты в области здравоохранения будут иметь более подробную медицинскую документацию. Теперь мы начинаем задумываться над тем, как вся информация о пациенте может быть использована, чтобы лучше понять, как лечение будет работать на него или на нее, а не применять одинаковый для всех подход.

Объединение всех вместе не может работать так, как это было в прошлом, в частности, потому что разрабатываются препараты, действующие только на специфические рецепторы. Как математик я вижу, что есть разница в разных популяциях, и что здесь требуются математика и статистика. Эта область имеет большой потенциал, если мы сможем количественно оценить изменчивость пациента и разработать специфические методов лечения отдельных пациентов с использованием математических моделей.

Вопрос: Что бы Вы посоветовали студентам, желающих стать исследователями?

Рейнольдс: Развивайтесь математически. Вы не можете изучить все курсы биология и все курсы математики и стать биологом и математиком одновременно, как считают некоторые люди, когда они слышат о биоматематике или математической биологии.

Приложения, которыми люди занимаются сейчас, становятся все более сложными и требуют знания множества математических методов. Так что студенту нужно изучать различные курсы, получать различные навыки, такие как программирование, изучить теоретические методы и в то же время узнать, как применять математику, потому что это все требуется независимо от того, какие бы исследования вы ни проводили. Если вы собираетесь заниматься математической биологией, вам нужен большой набор навыков.

Сначала студенты не могут понять, что это все в конечном счете связано, но природа математики такова, что вы должны учиться последовательно и красота ее на самом деле не видна, пока вы не дойдете до старших курсов.

В магистратуре вы должны стать мастером в чем-либо. Найдите то, что вы любите делать в математике, станьте в этом по-настоящему специалистом. Это возможное приложение для того, что вы делаете. Но в то же время нужно изучить некоторые курсы в смежных областях математики. Когда вы встретите трудную задачу, вы будете знать, какие инструменты необходимы для ее решения.

Источник: http://phys.org/news/2014-01-disease-states-math.html

Оставьте свой отзыв

Добавить изображение