Pubblicato in Fisica della natura, i risultati di un nuovo studio co-guidato dai team della Cleveland Clinic e della Case Western Reserve University mostrano per la prima volta come le idee della fisica quantistica possono aiutare a sviluppare nuovi interventi farmacologici per le infezioni batteriche e il cancro.

Il team di ricerca ha dimostrato che i principi del controllo quantistico, un campo della fisica quantistica utilizzato nelle applicazioni informatiche, può essere tradotto e applicato a problemi biologici. Hanno costruito un algoritmo matematico che può essere utilizzato per progettare e accelerare interventi specifici per prevenire o annullare la resistenza ai farmaci.

Tipicamente le cellule in presenza di farmaci evolvono secondo la selezione naturale darwiniana:i mutanti resistenti al farmaco possono competere con i loro vicini sensibili, dominare la popolazione. Controintuitivamente, si può anche cooptare questo processo per ottenere il risultato opposto, sconfiggendo infine la resistenza ai farmaci. Per esempio, una mutazione che causa resistenza a un farmaco può causare un'estrema suscettibilità a un altro, un fenomeno noto come sensibilità collaterale.

"Se quel mutante è inizialmente solo una piccola frazione della popolazione, possiamo usare il primo farmaco per incoraggiarne il predominio, e quindi applicare il secondo farmaco per eliminare rapidamente l'infezione, " disse il medico-scienziato Jacob Scott, dottore, DPhil, un oncologo radioterapista praticante presso la Cleveland Clinic e co-autore senior dello studio, facendo riferimento ai risultati di uno studio pubblicato dal suo gruppo all'inizio di quest'anno. "Ma sappiamo anche che la prima fase può essere lenta:le mutazioni avvengono in momenti casuali, e aspettare abbastanza a lungo fino a quando il mutante prende il sopravvento potrebbe compromettere l'efficacia del trattamento e gli esiti del paziente. Il tempo necessario per garantire che questi interventi abbiano successo è stato un limite significativo all'adozione della medicina evolutiva nella pratica clinica".

Accelerare questo processo è il punto in cui la fisica quantistica può fornire ispirazione. "La casualità delle mutazioni nell'evoluzione ha intriganti paralleli matematici con la casualità dei fenomeni quantistici, " secondo il prof. Michael Hinczewski, un biofisico teorico presso la Case Western Reserve University e co-autore senior. "Questa casualità rende difficile guidare in modo affidabile e rapido un sistema quantistico da uno stato all'altro. Risolvere questo problema di guida è un ingrediente essenziale in alcuni tipi di calcolo quantistico. Il nostro nuovo studio sfrutta questi paralleli, traducendo una particolare tecnica quantistica nota come guida controdiabatica nel linguaggio della biologia evolutiva".

"Immaginate di cercare di far seguire a un sistema un percorso desiderato da uno stato iniziale a uno finale in un breve periodo, sia che questo percorso sia una sequenza di stati quantistici o proporzioni variabili di mutanti in una popolazione in evoluzione, " ha affermato il Prof. Hinczewski. "La guida controdiabatica è una forma di correzione dinamica, fornendo un intervento esterno appena sufficiente per mantenere il sistema sul percorso in ogni istante, indipendentemente dalla velocità del protocollo."

I ricercatori hanno creato un algoritmo matematico per calcolare questo intervento nelle applicazioni di medicina evolutiva. L'output dell'algoritmo è una prescrizione per alterare dinamicamente i dosaggi oi tipi di farmaci per rimanere sul percorso di destinazione. Il team ha dimostrato la propria tecnica utilizzandola per manipolare l'evoluzione in simulazioni di cellule viventi. Queste simulazioni si basavano su dati sperimentali di uno studio precedente su una serie di mutanti che mostravano vari gradi di resistenza ai farmaci antimalarici.

La guida controdiabatica ha cambiato la proporzione di mutanti, influenzando la sensibilità complessiva della popolazione ai farmaci, più velocemente e con un controllo migliore di quanto ci si potrebbe aspettare utilizzando gli attuali metodi sperimentali nella medicina evolutiva.

Dati i risultati promettenti del team, la fase successiva della loro ricerca sarà quella di condurre test sperimentali diretti dell'approccio. Come primo esempio di guida antidiabatica in un contesto biologico, i ricercatori sperano che il loro lavoro possa fornire una base per una nuova area di studio:il controllo biologico di ispirazione quantistica. I ricercatori intendono applicare queste idee ad altri sistemi biologici che condividono somiglianze con l'evoluzione, come lo sviluppo delle cellule staminali e l'ecologia.