Mixed Effects Modeling of Deterministic and Stochastic Dynamical Systems - Methods and Applications in Drug Development
Doktorsavhandling, 2021
A method for regularizing the parameter estimation problem for dynamical systems is presented. The method is based on an extension of ODEs to stochastic differential equations (SDEs), which allows for stochasticity in the system dynamics, and is shown to lead to a parameter estimation problem that is easier to solve.
The combination of parameter variability and SDEs are investigated, allowing for an additional source of variability compared to the standard nonlinear mixed effects (NLME) model. For NLME models with dynamics described using either ODEs or SDEs, a novel parameter estimation algorithm is presented. The method is a gradient-based optimization method where the exact gradient of the likelihood function is calculated using sensitivity equations, which is shown to give a substantial improvement in computational speed compared to existing methods. The methods developed have been integrated into NLMEModeling, a freely available software package for mixed effects modeling in Wolfram Mathematica. The package allows for general model specifications and offers a user-friendly environment for NLME modeling of dynamical systems.
The SDE-NLME framework is used in two applied modeling problems in drug development. First, a previously published PK model of nicotinic acid is extended to incorporate SDEs. By extending the ODE model to an SDE model, it is shown that an additional source of variability can be quantified. Second, the SDE-NLME framework is applied in a model-based analysis of peak expiratory flow (PEF) diary data from two Phase III studies in asthma. The established PEF model can describe several aspects of the PEF dynamics, including long-term fluctuations. The association to exacerbation risk is investigated using a repeated time-to-event model, and several characteristics of the PEF dynamics are shown to be associated with exacerbation risk.
The research presented in this doctoral thesis demonstrates the development of a set of methods and applications of mathematical modeling of dynamical systems. In this work, the methods were primarily applied in the field of PK-PD modeling, but are also applicable in other scientific fields.
pharmacometrics
pharmacokinetics
mixed effects
drug development
pharmacodynamics
parameter estimation
time-to-event
mathematical modeling
dynamical systems
Författare
Jacob Leander
Chalmers, Matematiska vetenskaper, Tillämpad matematik och statistik
Stochastic differential equations as a tool to regularize the parameter estimation problem for continuous time dynamical systems given discrete time measurements
Mathematical Biosciences,;Vol. 251(2014)p. 54-62
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Mixed Effects Modeling Using Stochastic Differential Equations: Illustrated by Pharmacokinetic Data of Nicotinic Acid in Obese Zucker Rats
AAPS Journal,;Vol. 17(2015)p. 586-596
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Using sensitivity equations for computing gradients of the FOCE and FOCEI approximations to the population likelihood
Journal of Pharmacokinetics and Pharmacodynamics,;Vol. 42(2015)p. 191-209
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Exact Gradients Improve Parameter Estimation in Nonlinear Mixed Effects Models with Stochastic Dynamics
AAPS Journal,;Vol. 20(2018)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Nonlinear Mixed Effects Modeling of Deterministic and Stochastic Dynamical Systems in Wolfram Mathematica
IFAC-PapersOnLine,;Vol. 54(2021)p. 409-414
Paper i proceeding
A stochastic mixed effects model to assess treatment effects and fluctuations in home-measured peak expiratory flow and the association with exacerbation risk in asthma
CPT: Pharmacometrics and Systems Pharmacology,;Vol. 11(2022)p. 212-224
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Matematisk modellering är ett värdefullt verktyg för att bättre förstå världen omkring oss. Genom att skapa modeller kan frågeställningar och problem studeras med hjälp av matematiska samband och statistik. Inom läkemedelsutveckling kan matematiska modeller till exempel utvecklas med syftet att beskriva sambandet mellan ett läkemedels koncentration i kroppen och dess effekt. Dessa modeller kan användas för att svara på flera viktiga frågor: Hur beter sig läkemedlet i kroppen? I vilka patienter har läkemedlet bäst effekt? Vilken dos av läkemedlet är den optimala? Vad är sannolikheten att utvecklingen av ett nytt läkemedel lyckas?
För att utveckla matematiska modeller behöver modellerna anpassas till mätdata från experiment och studier. Detta är ett komplext problem som för att lösas kräver både avancerad matematik och effektiva datorberäkningar. Denna doktorsavhandling berör olika områden inom matematisk modellering, med fokus på tillämpningar inom läkemedelsutveckling. Flera nya metoder och modeller presenteras, både ur ett teoretiskt och ett applicerat perspektiv. Ett exempel är utvidgning till stokastiska modeller, där till synes slumpmässiga förlopp kan kvantifieras och bättre förstås.
Metoderna som presenteras i denna avhandling bidrar till utvecklingen av matematisk modellering inom läkemedelsutveckling och resultaten har potential att vägleda planering av kliniska studier, förstå samband mellan dos och effekt samt utveckla nya läkemedel mer effektivt.
Ämneskategorier
Matematik
Beräkningsmatematik
Sannolikhetsteori och statistik
Styrkeområden
Hälsa och teknik
Livsvetenskaper och teknik (2010-2018)
ISBN
978-91-7905-450-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4917
Utgivare
Chalmers
Online (Zoom, contact wennberg@chalmers.se for password)
Opponent: Professor Michael Chappell, School of Engineering, University of Warwick, United Kingdom