Data-driven QSP software for personalized colon cancer treatment

用于个性化结肠癌治疗的数据驱动 QSP 软件

基本信息

  • 批准号:
    10227447
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 15.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Abstract Colon cancer is the third leading cause of cancer-related deaths in the United States in both men and women. A major clinical challenge is to obtain an effective treatment strategy for each patient or at least identify a subset of patients who could benefit from a particular treatment. Since each colon cancer has its own unique features, it is very important to obtain personalized cancer treatments and find a way to tailor treatment strategies for each patient based on each individual's characteristics, including race, gender, genetic factors, immune response variations. Recently, Quantitative and Systems Pharmacology (QSP) has been commonly used to discover, validate, and test drugs. QSP models are a system of differential equations that model the dynamic interactions between drug(s) and a biological system. These mathematical models provide an integrated “systems level” approach to determining mechanisms of action of drugs and finding new ways to alter complex cellular networks with mono or combination therapy to obtain effective treatments. Since QSP models are a complex system of nonlinear equations with many unknown parameters, estimating the values of the model's parameters is extremely difficult. Existing parameter estimation methods for QSP models often use assembled data from various sources rather than a single curated dataset. These datasets are usually obtained through various biological experiments, in vitro and in vivo animal studies, thus rendering QSP models hard to be practicable for personalized treatments. To the best of our knowledge, no QSP model has been developed for personalized colon cancer treatments. In this project, we propose a unique approach to develop a data-driven QSP software to suggest effective treatment for each patient based on gene expression data from the primary tumor samples. Since signatures of main characteristics of tumors, such as immune response variations, can be found in gene expression profiling of primary tumors, we use gene expression data as input. We develop an innovative framework to systematically employ a combination of data science, mathematical, and statistical methods to obtain personalized colon cancer treatment. We employ novel inverse problem techniques to estimate the values of parameters of the model and statistical methods to perform sensitivity analysis. We will use these techniques to propose an optimal treatment strategy for each patient and predict the efficacy of the proposed treatment. The model might also suggest alternative therapies in case of low efficacy for some patients.
抽象的 结肠癌是美国男性和女性中与癌症相关死亡的第三大主要原因。 一个主要的临床挑战是​​为每个患者获得有效的治疗策略或至少确定子集 可以从特定治疗中受益的患者。由于每个结肠癌都有其独特的特征, 获取个性化癌症治疗并找到一种定制治疗策略的方法非常重要 每个患者根据每个人的特征,包括种族,性别,遗传因素,免疫响应 变化。 最近,定量和系统药理学(QSP)通常用于发现,验证, 和测试药物。 QSP模型是一个微分方程的系统,该系统模拟了模拟的动态相互作用 药物和生物系统。这些数学模型提供了一种集成的“系统级”方法 确定药物作用的机制,并找到用单声道改变复杂细胞网络的新方法 或联合疗法以获得有效治疗。由于QSP模型是非线性的复杂系统 具有许多未知参数的方程式,估计模型参数的值非常困难。 QSP模型的现有参数估计方法通常使用来自各种来源的组装数据 比单个策划数据集。这些数据集通常是通过各种生物学实验获得的 体内和体内动物研究,因此使QSP模型难以实用。 据我们所知,尚未开发用于个性化结肠癌治疗的QSP模型。 在这个项目中,我们提出了一种独特的方法来开发数据驱动的QSP软件以提出有效 根据原发性肿瘤样品的基因表达数据为每个患者的治疗。由于签名 肿瘤的主要特征,例如免疫反应变化,可以在基因表达中发现 在原发性肿瘤中,我们使用基因表达数据作为输入。我们将创新框架开发到系统上 员工一种数据科学,数学和统计方法的组合,以获得个性化结肠癌 治疗。我们采用新颖的逆问题技术来估计模型参数的值,并 执行灵敏度分析的统计方法。我们将使用这些技术提出最佳处理 每个患者的策略,并预测拟议治疗的效率。该模型也可能暗示 某些患者的效率低下,替代疗法。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Data-Driven Mathematical Model of Osteosarcoma.
  • DOI:
    10.3390/cancers13102367
  • 发表时间:
    2021-05-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Le T;Su S;Kirshtein A;Shahriyari L
  • 通讯作者:
    Shahriyari L
A Fokker-Planck Framework for Parameter Estimation and Sensitivity Analysis in Colon Cancer.
结肠癌参数估计和敏感性分析的福克-普朗克框架。
  • DOI:
    10.1063/5.0100741
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Roy,S;Pal,S;Manoj,A;Kakarla,S;Padilla,JV;Alajmi,M
  • 通讯作者:
    Alajmi,M
Investigating Optimal Chemotherapy Options for Osteosarcoma Patients through a Mathematical Model.
  • DOI:
    10.3390/cells10082009
  • 发表时间:
    2021-08-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6
  • 作者:
    Le T;Su S;Shahriyari L
  • 通讯作者:
    Shahriyari L
Data Driven Mathematical Model of Colon Cancer Progression.
  • DOI:
    10.3390/jcm9123947
  • 发表时间:
    2020-12-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Kirshtein A;Akbarinejad S;Hao W;Le T;Su S;Aronow RA;Shahriyari L
  • 通讯作者:
    Shahriyari L
Investigating the spatial interaction of immune cells in colon cancer.
  • DOI:
    10.1016/j.isci.2023.106596
  • 发表时间:
    2023-05-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.8
  • 作者:
    Mirzaei, Navid Mohammad;Hao, Wenrui;Shahriyari, Leili
  • 通讯作者:
    Shahriyari, Leili
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  • 资助金额:
    $ 15.99万
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