Publicado em Nature Physics, As descobertas de um novo estudo co-liderado pelas equipes da Cleveland Clinic e da Case Western Reserve University mostram pela primeira vez como as ideias da física quântica podem ajudar a desenvolver novas intervenções medicamentosas para infecções bacterianas e câncer.

A equipe de pesquisa demonstrou que os princípios do controle quântico, um campo da física quântica usado em aplicativos de computação, pode ser traduzido e aplicado a problemas biológicos. Eles construíram um algoritmo matemático que pode ser usado para projetar e acelerar intervenções específicas para prevenir ou derrubar a resistência aos medicamentos.

Normalmente, as células na presença de drogas evoluem de acordo com a seleção natural darwiniana:mutantes que são resistentes à droga podem competir com seus vizinhos suscetíveis, dominando a população. Contra-intuitivamente, pode-se também cooptar esse processo para obter o resultado oposto, em última análise, derrotando a resistência aos medicamentos. Por exemplo, uma mutação que causa resistência a um medicamento pode causar extrema suscetibilidade a outro, um fenômeno conhecido como sensibilidade colateral.

"Se esse mutante for inicialmente apenas uma pequena fração da população, podemos usar a primeira droga para estimular seu domínio, e, em seguida, aplique o segundo medicamento para eliminar rapidamente a infecção, "disse o médico-cientista Jacob Scott, MD, DPhil, um oncologista praticante de radiação na Cleveland Clinic e co-autor sênior do estudo, referenciando resultados de um estudo que seu grupo publicou no início deste ano. "Mas também sabemos que o primeiro estágio pode ser lento:as mutações ocorrem em momentos aleatórios, e esperar o tempo suficiente até que o mutante assuma totalmente o controle pode comprometer a eficácia do tratamento e os resultados do paciente. O tempo que leva para garantir que essas intervenções sejam bem-sucedidas tem sido uma limitação significativa para a adoção da medicina evolutiva na prática clínica. "

Acelerar esse processo é onde a física quântica pode fornecer inspiração. "A aleatoriedade das mutações na evolução tem paralelos matemáticos intrigantes com a aleatoriedade dos fenômenos quânticos, "de acordo com o Prof. Michael Hinczewski, um biofísico teórico na Case Western Reserve University e co-autor sênior. "Essa aleatoriedade torna difícil conduzir de forma confiável e rápida um sistema quântico de um estado para outro. Resolver esse problema de condução é um ingrediente essencial em certos tipos de computação quântica. Nosso novo estudo explora esses paralelos, traduzir uma técnica quântica específica conhecida como direção contra-diabática para a linguagem da biologia evolutiva. "

"Imagine tentar fazer com que um sistema siga um caminho desejado de um estado inicial a um estado final em um curto período de tempo - seja esse caminho uma sequência de estados quânticos ou proporções variáveis ​​de mutantes em uma população em evolução, "disse o Prof. Hinczewski." A direção contradiabática é uma forma de correção dinâmica, fornecendo intervenção externa apenas o suficiente para manter o sistema no caminho a cada instante, independentemente da velocidade do protocolo. "

Os pesquisadores criaram um algoritmo matemático para calcular essa intervenção em aplicações da medicina evolutiva. A saída do algoritmo é uma prescrição para alterar dinamicamente as dosagens ou tipos de medicamentos para permanecer no caminho desejado. A equipe demonstrou sua técnica usando-a para manipular a evolução em simulações de células vivas. Essas simulações foram baseadas em dados experimentais de um estudo anterior em um conjunto de mutantes mostrando vários graus de resistência aos medicamentos antimaláricos.

A direção contradiabática mudou a proporção de mutantes, afetando a sensibilidade geral da população ao medicamento, mais rápido e com melhor controle do que se poderia esperar usando os métodos experimentais atuais na medicina evolucionária.

Dadas as descobertas promissoras da equipe, a próxima fase de sua pesquisa será a realização de testes experimentais diretos da abordagem. Como o primeiro exemplo de direção contra-diabática em um contexto biológico, os pesquisadores têm esperança de que seu trabalho possa fornecer uma base para uma nova área de estudo:o controle biológico de inspiração quântica. Os pesquisadores planejam aplicar essas idéias a outros sistemas biológicos que compartilham semelhanças com a evolução, como desenvolvimento de células-tronco e ecologia.