Control Systems and Computers

https://doi.org/10.15407/csc.2024.04.068

Tarasich Yu.H. Algebraic Modelling of Experiments on the Example of Proton Therapy. Control Systems and Computers. 2024. 4. С. 68-84.

УДК 519.85

Ю.Г. Тарасіч, доктор філософії (інф. техн.), молодший науковий співробітник, Інститут кібернетики імені В. М. Глушкова НАН України, просп. Академіка Глушкова, 40, Київ, 03187, Україна, yutarasich@gmail.com.

АЛГЕБРАЇЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТІВ НА ПРИКЛАДІ ПРОТОННОЇ ТЕРАПІЇ

Незважаючи на стрімкий розвиток хімічної промисловості та науки, відкриття у галузі охорони здоров’я, появу ліків і терапевтичних засобів на основі нанотехнологій та розвиток технологій променевої терапії, безпека біомедичних застосувань новітніх продуктів та пошук нових методів і підходів до діагностики та лікування раку є відкритим питанням. Одним із найбезпечніших і найшвидших методів дослідження поведінки нових матеріалів та інструментів є моделювання відповідних процесів, зокрема комп’ютерне молекулярне моделювання на основі математичних моделей. Однак, незважаючи на велику кількість доступних методів і засобів моделювання, для більшості з них успішне застосування можливе лише для вузького кола завдань і експериментів.

Як один із можливих шляхів розв’язання цієї проблеми ми пропонуємо новий підхід до комп’ютерного молекулярного моделювання, заснований на синергії алгебраїчного підходу та біологічних знань на різних рівнях абстракції, починаючи від квантових взаємодій до взаємодій біологічних систем.

Один із напрямків застосування запропонованого підходу ми бачимо в можливості моделювання процесу променевої терапії – починаючи від моделювання роботи прискорювачів і закінчуючи моделюванням взаємодії пучка частинок з речовиною на рівні квантових взаємодій. Зокрема, у статті розглядаються можливості прямого (конкретного та символьного) та оберненого (символьного) алгебраїчного моделювання на прикладі моделей вищого рівня абстракції, що дозволяє візуалізувати певні взаємодії та будувати діаграми залежностей для конкретних моделей, а також визначати наявність бажаних сценаріїв (пряме моделювання) або набору початкових параметрів середовища (обернене моделювання) у символьній формі.

Завантажити повний текст! (англійською)

Ключові слова: Молекулярне моделювання, алгебраїчне моделювання, моделювання біологічних експериментів, моделювання протонної терапії, теорія взаємодії агентів і середовищ, символьне моделювання.

1. Dobbe, R., Tomlin, C. J., 2015. “Hybrid Systems Modeling for (Cancer) Systems Biology”. bioRxiv.) 
2. Lincoln, P., Tiwari, A., 2004. “Symbolic systems biology: Hybrid modeling and analysis of biological networks”. Hybrid Systems: Computation and Control: 7th International Workshop, HSCC 2004, Philadelphia, PA, USA, March 25−27. Proceedings 7 (Springer Berlin Heidelberg, 2004), pp. 660−672.
3. Abate, A., Hillen, R. C., Aljoscha, S., 2012. “Wahl Piecewise affine approximations of fluxes and enzyme kinetics from in vivo 13C labeling experiments”. International Journal of Robust and Nonlinear Control, 22(10), pp. 1120−1139.
4. Jones, B., 2017. “Clinical radiobiology of proton therapy: modeling of RBE”. Acta Oncologica, 56(11), pp.1374−1378.
5. Chen, Y., Ahmad, S., 2011. “Empirical model estimation of relative biological effectiveness for proton beam therapy”. Radiation Protection Dosimetry, 149(2), pp.116−123.
6. Dahle, T. J., Rykkelid, A. M., Stokkevåg, C. H., Mairani, A., Görgen, A., Edin, N. J., Rørvik, E., Fjæra, L. F., Malinen, E., Ytre-Hauge, K. S., 2017. “Monte Carlo simulations of a low energy proton beamline for radiobiological experiments”. Acta oncologica (Stockholm, Sweden), 56(6), pp.779–786.
7. Bitencourt-Ferreira, G., Pintro, V., de Azevedo, W., 2019. “Docking with AutoDock4”. Methods in Molecular Biology, pp.125−148.
8. Hughes-Oliver, J.M., Brooks, A.D., Welch, W.J., Khaledi, M.G., Hawkins, D., Young, S.S., Patil, K, Howell, G.W., Ng, R.T., Chu, M.T., 2012. “ChemModLab: a web-based cheminformatics modeling laboratory”. In Silico Biol, 11(1-2), pp. 61−81.
9. Morency, L., Gaudreault, F. and Najmanovich, R., 2018. “Applications of the NRGsuite and the Molecular Docking Software FlexAID in Computational Drug Discovery and Design”. Methods in Molecular Biology, pp. 367−388.
10. Pirhadi, S., Sunseri, J., Koes, D., 2016. “Open source molecular modeling”. Journal of Molecular Graphics and Modelling, 69, pp. 127−143.
11.  Liu, K., Sun, X., Jia, L., Ma, J., Xing, H., Wu, J., Gao, H., Sun, Y., Boulnois, F., Fan, J, 2019. “Chemi-Net: A Molecular Graph Convolutional Network for Accurate Drug Property Prediction”. Int. J. Mol. Sci., 20, 3389.
12. Mathpal, D., Masand, M., Thomas, A., Ahmad, I., Saeed, M., Zaman, G.S., Kamal, M., Jawaid, T., Sharma, P.K., Gupta, M.M., Kumar, S., Srivastava, S.P., Balaramnavar, V.M., 2021. “Pharmacophore modeling, docking and the integrated use of a ligand- and structure-based virtual screening approach for novel DNA gyrase inhibitors: synthetic and biological evaluation studies”. RSC Advances. Vol. 11(55), pp. 34462−34478.
13. Lin, X., Li, X., Lin, X., 2020. “A Review on Applications of Computational Methods in Drug Screening and Design”. Molecules, vol. 25(6):1375.
14. Beentjes, C.H.L., Baker, R.E., 2019. “Quasi-Monte Carlo Methods Applied to Tau-Leaping in Stochastic Biological Systems”. Bull Math Biol, vol. 81, pp. 2931–2959.
15. Letichevsky, A., Gilbert, D., 1999. “A Model for Interaction of Agents and Environments”. In: Bert D., Choppy C., Mosses P.D. (eds) Recent Trends in Algebraic Development Techniques., WADT 1999, LNCS, vol. 1827, pp. 311−328.
16. Letichevsky, A.A., Godlevsky, A.B., Letychevsky, A.A., Potiyenko, S.V., Peschanenko, V.S., 2010. “Properties of a predicate transformer of the VRS system”. Cybernetics and Systems Analysis, 46, pp. 521−532.
17. Model Creator Tool [online]. Available at: <https://rd.litsoft.com.ua/> [Accessed 06 Oct. 2024].
18. Letichevsky, A., Letychevskyi, O., Peschanenko, V., 2016. “Insertion modeling and its applications”. Computer Science Journal of Moldova, 72(3), pp. 357−370. 
19. Apsystem.org.ua. 2022. APS & IMS  [online]. Available at: <http://apsystem.org.ua/> [Accessed 06 Oct. 2024].

Received 30.10.2024