Pharmacometrics for Combination Therapy in Oncology Within and Across Species Variability in Time Series and Time-to-event Data
Doctoral thesis, 2024


Mathematical modeling is an integral part of the drug development process. Models are developed to describe tumor dynamics or drug concentration to answer questions such as: What concentration is required to reach the desirable treatment outcome? What drug dose and frequency should a drug prescription specify to achieve this concentration? Models are also used for simulation, reducing the need to perform additional animal trials.

In this thesis, we consider how to model dynamical systems that incorporate biologically relevant phenomena such as drug elimination, tumor growth, and the effect of combination therapies consisting of anticancer drugs and radiation treatment. Survival analysis and time-to-event modeling are also discussed as well as how to combine these types of probabilistic models with the dynamical system models in a so-called joint model. All discussed models contain parameters that must be estimated using experimental data and how this estimation is done is considered along with how to deal with variability on different levels, e.g., between individuals and between species.

Furthermore, appended are five papers/manuscripts where this is applied to real-world problems. (I) concerns modeling of radiation therapy in combination with radiosensitizers, (II) presents a translational approach for predicting clinical results using a preclinical model, and (III) focuses on predicting progression-free survival using joint modeling. The last two are in manuscript form and (IV) presents a parametric model for sample size calculations and (V) considers how predictions of progression-free survival are distributed under different models.

Mathematical Modeling

Pharmacometrics

Nonlinear Mixed Effects

Oncology

Combination Therapy

Radiation Therapy

Pascal
Opponent: James Yates, professor at the University of Warwick, UK

Author

Marcus Baaz

Chalmers, Mathematical Sciences, Applied Mathematics and Statistics

Model-based prediction of progression-free survival for combination therapies in oncology

CPT: Pharmacometrics and Systems Pharmacology,;Vol. 12(2023)p. 1227-1237

Journal article

Optimized scaling of translational factors in oncology: from xenografts to RECIST

Cancer Chemotherapy and Pharmacology,;Vol. 90(2022)p. 239-250

Journal article

Marcus Baaz, Tim Cardilin, Torbjörn Lundh, Mats Jirstrand. Probabilistic Analysis of Tumor Growth Inhibition Models to Support Clinical Trial Design

Marcus Baaz, Tim Cardilin, Mats Jirstrand. Analyzing the Distribution of Progression-free Survival for Combination Therapies: A Study of Model-Based Translational Predictive Methods in Oncology

I Sverige år 2022 var olika typer av cancer den näst vanligaste dödsorsaken efter hjärt- och kärlsjukdomar. Du som läser detta har kanske en vän, kollega eller närstående som är bland dem som har drabbats av sjukdomen. Eftersom vi både i Sverige och globalt har en åldrande befolkning så kommer cancer vara en ännu större utmaning i framtiden. Som tur är bedrivs mycket forskning för att få fram nya och förbättrade behandlingsmetoder, vilket bland annat har resulterat i att vissa cancerdiagnoser, som för några decennier ansågs som en dödsdom, nu är behandlingsbara.

Forskningen som möjliggjort detta är komplex och kräver samarbete mellan flera olika professioner däribland läkare, kemister och matematiker. Du har kanske någon idé om vilken typ av uppgift de två förstnämnda kan ha i framtagandet av nya läkemedel, men vad är en matematikers eller ingenjörs roll?

När man tagit fram ett nytt läkemedel så vill man säkerställa att det är bättre än de som finns tillgängliga idag (eller sockerpiller). Ofta så görs en studie där man ger en del av deltagarna ett läkemedel och resten ett annat. Men, alla människor är unika och det finns t.ex. skillnader i beteende, genetik och matvanor som gör att olika människor reagerar olika på samma läkemedel. Så hur kan man vara tillräckligt säker på att resultatet från sin studie faktiskt är på grund av skillnader mellan behandlingarna och inte bara av ren slump?

Denna avhandling handlar om hur man med hjälp av matematik och framförallt matematisk modellering kan svara på just sådana frågor. En matematisk modell är ett antal samband, beskrivna genom ekvationer, som på ett förenklat sätt beskriver verkligheten. Man kan se modellen som ett typ av verktyg för att både dra slutsatser om resultat från tidigare studier, och göra förutsägelser om hur resultaten hade förändrats om behandlingen hade skett annorlunda. Som med många andra verktyg så behöver man kalibrera modellen och detta gör man med hjälp av experimentell data, ofta i form av tidserier, som t.ex. beskriver koncentration av ett läkemedel i blodet över tid. Hur kalibrering sker, vilken typ av förutsägelser man kan göra med den färdiga modellen och den praktiska nyttan av denna typ av forskning är alla saker som diskuteras i denna avhandling.

Subject Categories

Mathematics

Pharmaceutical Sciences

Cancer and Oncology

ISBN

978-91-8103-020-4

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5478

Publisher

Chalmers

Pascal

Online

Opponent: James Yates, professor at the University of Warwick, UK

More information

Latest update

3/15/2024