Dùng toán học để chiến đấu với ung thư thông qua xác định tính ngẫu nhiên

Ung thư thường được xem là căn bệnh phát sinh do đột biến gien khiến các tế bào phân chia không kiểm soát và xâm lấn các bộ phận khác của cơ thể. Nhưng sự lây lan của các tế bào ra khỏi nguyên gốc của chúng thực sự là một quá trình bình thường trong một số trường hợp. Phôi chui vào tử cung trong thời kỳ đầu mang thai. Các tế bào miễn dịch lây lan từ các hạch bạch huyết đến các vị trí nhiễm trùng để tấn công vi khuẩn xâm nhập. Và các tế bào phôi di chuyển đến nơi là vị trí tuyến sinh dục trong quá trình phát triển ban đầu của con người.

Ung thư không phải là một căn bệnh nhất quán. Thay vào đó, ung thư là một căn bệnh có kiểu hình linh hoạt, nghĩa là các tế bào khối u có thể thay đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc chức năng khác. Điều này gồm cả việc tế bào suy giảm, đánh mất chức năng bình thường của chúng, có thể dẫn đến kháng thuốc hoặc thay đổi hoàn toàn loại tế bào của chúng, tạo điều kiện cho sự di căn.

Ngoài những thay đổi trực tiếp trong DNA do bệnh ung thư, động lực chính thúc đẩy sự phát triển của bệnh ung thư là vị trí và thời điểm DNA của bệnh nhân bị kích hoạt. Nếu DNA của bệnh nhân chứa các “từ vựng” đánh vần các gien riêng lẻ, thì biểu sinh là “cú pháp” của bộ gien của bệnh nhân, cho biết các gien đó nên bật hay tắt chúng trong một mô nhất định. Mặc dù tất cả các mô trong cơ thể có trình tự DNA gần như giống hệt nhau, nhưng tất cả chúng đều có thể thực hiện các chức năng khác nhau do những biến đổi về cấu trúc và hóa học làm thay đổi gien quy định kích hoạt và biểu hiện. “Bộ gien biểu sinh” này có thể bị ảnh hưởng bởi các phơi nhiễm với môi trường như chế độ ăn uống, bổ sung thêm một khía cạnh để các nhà nghiên cứu hiểu được các yếu tố thúc đẩy sức khỏe ngoài mã DNA được thừa hưởng từ cha mẹ của bạn.

Andrew Feinberg là một nhà nghiên cứu về ung thư làm việc tại phòng thí nghiệm thuộc Đại học Johns Hopkins. Feinberg chuyên nghiên cứu về sự khác biệt giữa các mô bình thường được kiểm soát bởi mã biểu sinh và cách mã này bị phá vỡ trong bệnh ung thư. Trong bài khoa học gần đây, ông và đồng nghiệp Andre Levchenko tại Đại học Yale đã đề xuất khái niệm về tính ngẫu nhiên có thể làm sáng tỏ lý do tại sao ung thư di căn và trở nên kháng lại các phương pháp điều trị.

Tính ngẫu nhiên là gì?

Tính ngẫu nhiên là một khái niệm toán học đề cập đến ý tưởng rằng tính ngẫu nhiên của các bước trong một quy trình ảnh hưởng đến khả năng dự đoán kết quả của nó. Albert Einstein đã nghiên cứu khái niệm này và áp dụng cho chuyển động của các hạt lơ lửng trong chất lỏng hoặc chất khí. Các nhà nghiên cứu có thể áp dụng tính ngẫu nhiên để nghiên cứu sự lây lan, sức đề kháng và sự phát triển của COVID-19, hành vi của thị trường chứng khoán và hầu hết mọi trò chơi bên trong sòng bạc.

Một cách quan trọng để đo tính ngẫu nhiên của một quá trình là entropy (độ hỗn loạn bất định hay định lượng mức độ không chắc chắn trong một kết quả). Ví dụ: tung đồng xu đồng chất có entropy bằng một hoặc thông tin thấp, bởi vì không có cách nào để dự đoán liệu tung đồng xu sẽ là mặt ngửa hay mặt sấp. Nhưng một lần tung đồng xu lệch tâm thì có entropy bằng 0, hoặc thông tin cao, vì kết quả đã được biết trước và sẽ không có thông tin mới nào thu được bằng cách tung đồng xu.

Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng entropy để đo lượng nhiễu thông tin trong viễn thông. Entropy cũng có thể giúp người chơi đánh bại trò chơi Wordle. Từ có entropy cao nhất và do đó, thông tin mới được mong đợi lớn nhất sau mỗi lần đoán sẽ là lựa chọn tốt nhất của bạn.

Biểu sinh liên kết sự ngẫu nhiên và ung thư với nhau

Việc kết hợp tính ngẫu nhiên và entropy vào sinh học cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tính linh hoạt của kiểu hình trong bệnh ung thư. Các nhà sinh học thực nghiệm và tính toán đang sử dụng entropy để hiểu tính ngẫu nhiên cơ bản trong cách các tế bào được tổ chức bên trong, phản ứng với các tín hiệu môi trường, trưởng thành và hình thành các mô.

Tính ngẫu nhiên trong biểu sinh là rất quan trọng đối với cách ung thư phát triển. Ví dụ, một tình trạng gọi là Barrett thực quản xảy ra khi các tế bào khỏe mạnh trong thực quản phát triển các đặc điểm giống với các tế bào lót ruột bình thường, cuối cùng có thể dẫn đến ung thư thực quản. Điều này là do những thay đổi ngẫu nhiên lũy tiến trong mã biểu sinh và sự thay đổi này xảy ra nhanh hơn khi nó đạt đến một ngưỡng nhất định. Bản chất ngẫu nhiên của những thay đổi biểu sinh này cũng dẫn đến tăng entropy trong chức năng của những gien đó và tiến triển thành ung thư.

Bằng cách đo lường hoạt động của gien và những thay đổi biểu sinh của từng tế bào riêng lẻ, các nhà sinh học và toán học có thể so sánh entropy trong tế bào ung thư với các tế bào bình thường xung quanh chúng. Các nhà khoa học hiện đang bắt đầu xác định các vùng của bộ gien làm trung gian đo tính ngẫu nhiên trong bệnh ung thư. Một nghiên cứu chưa được công nhận đã phát hiện ra rằng entropy có liên quan đến cách các nhiễm sắc thể được nén chặt về mặt vật lý trong nhân, một cơ chế biểu sinh quan trọng khác để kiểm soát hoạt động của gien trong bệnh ung thư.

Có một mối liên hệ giữa entropy và lão hóa. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng sự lão hóa của con người có liên quan đến sự gia tăng entropy biểu sinh ở vùng da bị tổn thương do ánh nắng mặt trời. Các bộ phận của bộ gien có entropy cao sẽ bị mất thêm thông tin biểu sinh ở vùng da tiếp xúc với ánh nắng mặt trời, điều này có thể dẫn đến ung thư. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã xác định tổn thương DNA là nguyên nhân gây ra entropy liên quan tuổi đời ở chuột. Do đó, nếu entropy biểu sinh tăng lên trong quá trình lão hóa và có liên quan đến tổn thương DNA, thì điều đó có thể giúp giải thích tại sao nguy cơ ung thư tăng rõ rệt theo tuổi tác.

Bằng cách xác định cách thức entropy biểu sinh gây ra ung thư, các nhà khoa học có thể phát hiện ung thư tốt hơn ở giai đoạn đầu và thiết kế các loại thuốc làm giảm entropy, từ đó giảm nguy cơ khối u lan rộng và trở nên kháng thuốc.

Và có lẽ quan trọng nhất, entropy biểu sinh cho thấy bạn sẽ không thể hiểu đầy đủ về bệnh ung thư nếu không có toán học. Sinh học đang phải bắt kịp với các ngành khoa học khác trong việc kết hợp các phương pháp toán học với thí nghiệm để cho ra những phương pháp điều trị tốt nhất.