Recenzja. Promotor: dr hab. Urszula Foryś, Kopromotor: dr hab. n. med. Maria Wideł,

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Andrzej Świerniak Instytut Automatyki Politechnika Śląska w Gliwicach Gliwice, 11 listopada 2015 Recenzja rozprawy doktorskiej dr. n. tech. Jana Poleszczuka pt. Exploring potential tumor growth modulating mechanisms in cells having different status of TP53 gene Promotor: dr hab. Urszula Foryś, Kopromotor: dr hab. n. med. Maria Wideł, Recenzja została przygotowana na zlecenie Dziekana Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego, Prof. dr. hab. Andrzeja Tarleckiego z dnia Tematyka i zakres rozprawy: Przedstawiona mi do recenzji rozprawa pt. Exploring potential tumor growth modulating mechanisms in cells having different status of TP53 gene napisana jest w języku angielskim, dodatkowo dołączony jest autoreferat w języku polskim. Tytuł rozprawy jest niezwykle obiecujący, gdyż chociaż rola białka p53 i kodującego je genu jest przedmiotem ogromnej liczby publikacji o charakterze biologicznym czy też klinicznym, jak i systemowym, to zarówno ilość jak i jakość modeli matematycznych związanych z wynikającymi stąd zagadnieniami pozostawia wyraźny niedosyt. W szczególności analiza mechanizmów regulujących proces karcynogenezy i rozwoju nowotworów, a także reakcji na prowadzoną terapię nowotworową w aspekcie różnic w statusie genu TP53 stanowi ważne wyzwanie stojące przed modelowaniem biomatematycznym, zarówno z punktu widzenia aspektów poznawczych, jak i ewentualnych implikacji klinicznych. Stąd uważam, że temat rozprawy doktorskiej i motywacja prowadzonych przez doktoranta badań są niezwykle aktualne, a co za tym idzie mogą być podstawą uzyskania oryginalnych rezultatów o dużym znaczeniu teoretycznym i ewentualnych implikacjach praktycznych. Rdzeniem prowadzonych przez doktoranta badań jest przekonanie o istotnej roli programu senescencji (komórkowego starzenia się), indukowanego w czasie radioterapii, w rozwoju angiogenezy nowotworowej, a tym samym, w rozwoju choroby nowotworowej. Jest to ważna i oryginalna ocena roli senescencji, która raczej postrzegana była w literaturze jako zjawisko zabezpieczające przed procesem mutacji onkogennych. Z kolei zależność programu senescencji od statusu genu TP53 w komórkach jest powszechnie aprobowana. Dalszą konsekwencją przyjętego toru wnioskowania jest zainteresowanie terapią antyangiogenną jako wspomagającą radioterapię w celu ograniczenia negatywnych skutków senescencji. A zatem implikacje tego procesu, stają się pośrednio, mechanizmami uzależnionymi od statusu genu TP53, co niejako uzasadnia tak obiecujący tytuł rozprawy. Należy przy tym podkreślić, że przekonanie doktoranta o znaczeniu tego procesu wynika z jego własnych głębokich przemyśleń z okresu pracy nad obronioną wcześniej na Politechnice Śląskiej rozprawą doktorską pt. Modelowanie odpowiedzi komórek nowotworowych na stres indukowany terapią. Tamta rozprawa miała charakter typowej pracy z biologii systemów, a kluczową i oryginalną, moim zdaniem, hipotezą wykazaną przez autora była istotna rola programu senescencji w powstawaniu i skutkach popromiennego efektu sąsiedztwa (bystander effect). Zakres i charakter obecnej rozprawy jest istotnie odmienny. Jest to bowiem praca o charakterze biomatematycznym dotycząca analizy i syntezy modeli związanych z procesem angiogenezy nowotworowej (widzianej jako jeden ze skutków senescencji wywołanej promieniowaniem lub efektem sąsiedztwa) i terapii antyangiogennej jako racjonalnej odpowiedzi

2 na te skutki. Nie mam zatem wątpliwości, że mamy do czynienia z dwoma niezależnymi dysertacjami, zarówno pod względem formalnym jak i merytorycznym. Wątpliwości moje natomiast budzi merytoryczna (a nie formalna) zgodność zakresu recenzowanej rozprawy z jej tytułem. Formalnie, jak wspomniałem, wszystko jest w porządku; tok myślenia doktoranta zaprezentowany w pracy jest następujący: W zależności od statusu genu TP53 komórki ulegają senescencji lub nie, senescencja prowadzi do procesu angiogenezy nowotworowej, która jest zjawiskiem determinującym wzrost nowotworu i rozwój choroby nowotworowej, a może być wynikiem radioterapii, zajmijmy się zatem terapią antyangiogenną jako racjonalną drogą wspomagania radioterapii, prowadzącą do minimalizacji tego efektu. Tyle, że poza tym wstępnym, niewątpliwie racjonalnym i w pewnym sensie oryginalnym sposobem rozumowania, trudno znaleźć w pracy modele, które wyjaśniłyby tytułową role statusu genu TP53, wiązały otrzymane wyniki z tą rolą, prowadziły do konkluzji z nią związanych. Bezpośrednio związana z tym zagadnieniem jest w zasadzie tylko pierwsza część rozprawy, w której zaprezentowane są wyniki eksperymentów biologicznych (w mokrym laboratorium) prowadzonych przez doktoranta przy wsparciu kopromotora, wskazujące, iż promieniowanie jonizujące indukuje senescencję zarówno w komórkach napromienionych bezpośrednio jak i znajdujących się w sąsiedztwie tych komórek (efekt bystander), przy czym jej rozmiar jest znacznie większy dla komórek z funkcjonalnie aktywnym TP53 niż w przypadku, gdy gen ten jest znokautowany. Jest to niewątpliwie wynik istotny z punktu widzenia problematyki rozważanej w pracy i może być podstawą ważnych, z punktu widzenia poznawczego jak i aplikacyjnego, badań modelowych. Jednak modele, które są rozważane w dalszej części pracy mają już bardzo odległy związek z tym zagadnieniem dotyczą bowiem terapii antyangiogennej. Autor buduje oryginalny model matematyczny takiej terapii uwzgledniający, w sposób jawny, wykorzystanie inhibitorów czynników wzrostu (np. VEGF), a nie tylko efekt antynaczyniowy, jak to ma miejsce w przypadku oryginalnego modelu Hahnfeldta i in. oraz znanych jego modyfikacji. Analiza jakościowa tego modelu wskazuje na szereg istotnych własności odróżniających rozwiązania tego modelu od pozostałych modeli tej klasy. Dalsze rozważania dotyczą syntezy sterowania optymalnego dla tego modelu, którego cel jest formułowany również w sposób częściowo odmienny od spotykanego w wielu pracach z tego zakresu. Przyjęty wskaźnik jakości ma bowiem służyć nie tylko do minimalizacji wielkości guza i skumulowanej dawki leku, ale również zachowania odpowiedniej proporcji unaczynienia guza w stosunku do jego objętości. Doktorant rozwiązuje problem sterowania optymalnego, bazując na warunkach koniecznych określonych przy wykorzystaniu zasady maksimum, podaje kilka twierdzeń dotyczących liczby przełączeń i ich charakteru i przedstawia procedury numerycznego wyznaczania przebiegów optymalnych dla konkretnych parametrów modelu. Trudno zgodzić się ze stosowaną przez autora nazwą sterowanie osobliwe na określenie odcinków sterowania, w których przyjmuje ono wartości pośrednie (tzn. nie pełna dawka i nie brak leku). W teorii sterowania optymalnego nazwa ta jest zarezerwowana dla przypadków, w których hamiltonian nie zależy w sposób jawny od sterowania (co powoduje, że warunki pierwszego rzędu nie pozwalają na określenie sterowania spełniającego warunki konieczne optymalności). W przypadku rozważanym w pracy mamy natomiast odcinki sterowania bang-bang i pośrednie wynikające z jawnej minimalizacji hamiltonianu względem sterowania. Wreszcie końcowy rozdział pracy zawiera dość bogatą analizę wrażliwości parametrycznej modelu, zarówno lokalnej jak i nielokalnej, przy czym rozważany jest zarówno oryginalny model zaproponowany przez doktoranta jak i model Hahnfeldta i in. Porównanie wrażliwości tych dwóch modeli umożłiwia autorowi wyprowadzenie nieco ryzykownych wniosków odnośnie uniwersalności różnych strategii terapii antyangiogennej. Otrzymane w tej części wyniki stanowią wartościowy i oryginalny wkład w zakresie modelowania biomatematycznego w biologii nowotworów, a zatem wykorzystanie ich jako podstawy pracy doktorskiej nie budzi zastrzeżeń. Jak jednak wspomniałem, związek znacznej części pracy z jej tytułem jest, w mojej opinii, wysoce

3 spekulatywny. Należy podkreślić, że wyniki przedstawione w pracy zostały już w większości opublikowane w dobrych czasopismach biomatematycznych w postaci artykułów, których pierwszym autorem (i głównym udziałowcem ) jest autor rozprawy. Ponadto 3 kolejne artykuły opublikowane w pismach biologicznych i 1 w czasopiśmie z matematyki stosowanej, współautorstwa doktoranta, zawierają również wyniki ściśle związane z rozprawą. Tym samym można stwierdzić, że wyniki rozprawy są na tyle aktualne i oryginalne, że znalazły uznanie wśród recenzentów reprezentujących dyscyplinę nauki, do której adresowana jest recenzowana przeze mnie rozprawa. 2. Ocena zawartości pracy. Uwagi krytyczne. Rozprawa składa się z wprowadzenia, 5 rozdziałów przedstawiających motywację, podstawy i wyniki badań, podsumowania, dodatku zawierającego procedury numeryczne, spisu tablic i rysunków, a także spisu cytowanych źródeł bibliograficznych. Wprowadzenie (rozdział 1) obejmuje przedstawienie motywacji podjęcia tematyki, opis celów pracy oraz przewodnik po zawartości kolejnych rozdziałów. Podstawową tezę pracy można streścić następująco: Radioterapia poprzez indukcję senescencji komórkowej w komórkach nowotworowych i normalnych sprzyja inicjacji procesu angiogenezy, prowadząc do wzrostu guza i rozwoju choroby nowotworowej, w tym także w sąsiedztwie miejsc naświetlanych (poprzez efekt bystander). Proces ten jest silnie zależny od statusu genu TP53, a możliwości powstrzymania tego procesu i tym samym zwiększania efektywności terapii antynowotworowej tkwią w wykorzystaniu inhibitorów angiogenezy do wspomagania radioterapii. Jest to hipoteza w znacznym stopniu oryginalna i warta zweryfikowania, a autor rozprawy formułuje pewną liczbę zadań szczegółowych, których realizacja i rozwiązanie ma służyć jej wykazaniu. Jak to jednak często bywa, przerodziły się one w niezależne, w pewnym stopniu, zagadnienia, związane z tą hipotezą i z tytułem pracy w sposób dość subtelny, co nie zmienia faktu, że generują one interesujące i oryginalne wyniki. Zagadnienia te i wyniki badań nad nimi zawarte są w kolejnych rozdziałach pracy. Rozdział 2 został poświęcony opisowi tła biologicznego pracy, ze szczególnym uwzględnieniem procesów senescencji komórkowej i angiogenezy nowotworowej, wpływu promieniowania jonizującego zarówno bezpośredniego jak i pośredniego (efekt bystander) na komórki oraz roli białka p53 i genu TP53, a także istoty wyników eksperymentów biologicznych, które stanowiły podstawowy punkt odniesienia dla analizy przedstawionej w pracy. W rozdziale 3 autor przedstawił wyniki eksperymentów biologicznych na kilku liniach komórkowych zarówno nowotworowych jak i normalnych, w różnych układach koinkubacyjnych, które zostały przeprowadzone na potrzeby pracy. Po opisaniu materiału i metod autor przedstawia wnioski z eksperymentów, które potwierdzają część hipotezy dotyczącą indukcji programu senescencji w komórkach naświetlanych i sąsiadujących z nimi w zależności od statusu TP53 i okresu koinkubacji. Ta część pracy jest w największym stopniu związana z poprzednio realizowaną pracą doktorską w dyscyplinie biocybernetyka i inżynieria biomedyczna, w tym sensie, że prowadzone eksperymenty stanowią niejako kontynuację poprzednich, których wyłącznym celem było odkrycie związków między procesem senescencji i efektem bystander. Pozostała część pracy jest już całkowicie odmienna od poprzedniej rozprawy. W rozdziale 4 wyprowadzony jest oryginalny model procesu angiogenezy uwzględniający zastosowanie inhibitorów hamujących stymulację tego procesu (np. blokujących czynniki wzrostu takie jak VEGF). Otrzymany model stanowi istotną modyfikację modelu Hahnfeldta i in. Analiza asymptotyczna, jak i badania symulacyjne, wskazują na istotne różnice własności tego modelu i standardowego modelu Hahnfeldta. Istotną własnością jest brak zerowego punktu równowagi (w przeciwieństwie do modelu standardowego), co, zdaniem doktoranta, tłumaczy część niespełnionych nadziei związanych z terapią antyangiogenną, czyniąc z niej głównie narzędzie wspomagania innych rodzajów terapii np. poprzez normalizację sieci naczyniowej tworzonej w procesie angiogenezy.

4 W rozdziale 5 ten model służy do optymalizacji protokołów terapii antyangiogennej. Autor proponuje funkcjonał jakości będący kombinacją końcowej wielkości populacji nowotworowej, skumulowanej dawki leku oraz końcowej proporcji naczyń indukowanych w procesie angiogenezy do wielkości guza. Synteza sterowania optymalnego prowadzi do wniosku, iż istotną część trajektorii optymalnej stanowią odcinki sterowania o wartościach pośrednich (określonych jawnie poprzez funkcję zmiennych stanu) rozdzielające przedziały odpowiadające maksymalnej dawce leku i niepodawaniu tegoż leku. Autor niesłusznie nazywa takie sterowanie osobliwym i choć jest to błędne określenie, traktuję je bardziej w kategoriach nomenklaturowych niż merytorycznych. Otrzymane wyniki stanowiące rozwiązanie nieprostego problemu optymalizacji są interesujące z punktu widzenia teorii sterowania optymalnego i uzyskane przy wykorzystaniu odpowiednich narzędzi matematycznych z dbałością o rygoryzm matematyczny. Nie mniej, w mojej opinii, samo sformułowanie problemu zawiera wiele niekonsekwencji. Formułując zadanie optymalizacji autor wprowadza odpowiednie składniki w funkcjonale jakości pod kątem wykorzystania terapii antyangiogennej jako wspomagającej chemioterapię, ale w modelu efekt chemioterapii nie występuje. Usprawiedliwieniem jest założenie, że terapię antyangiogenną stosuje się w przerwach między sesjami chemioterapii i przedmiotem optymalizacji są właśnie te okresy przerw. Ale trudno oczekiwać, żeby optymalizacja całego procesu leczenia prowadziła do takich protokołów, a zatem postawiony problem i jego rozwiązanie stanowią wyłącznie suboptymalne, trudno powiedzieć w jakim sensie, zadanie wspomagania chemioterapii. Z drugiej strony, jeśli istotną wartością dodaną rozważanego problemu jest uwzględnienie normalizacji sieci naczyniowej (pruning effect) przez stosowanie inhibitorów angiogenezy, to należałoby bardziej precyzyjnie określić w jaki sposób normalizacja wpływa na efektywność chemioterapii. Przykładowo d Onofrio i Gandolfi w swojej pracy z r opublikowanej w JTB proponują 2 funkcje, które modelują wpływ stosunku objętości wielkości sieci naczyniowej do objętości guza (K/V) na efektywność chemioterapii. Przedmiotem maksymalizacji powinny być tego typu funkcje a nie K/V, bowiem wpływ ten nie ma charakteru funkcji monotonicznej. Autor uwzględnia ograniczenia na skumulowana dawkę leku antyangiogennego dwukrotnie: raz poprzez wprowadzenie odpowiedniego członu całkowego do wskaźnika jakości, drugi raz poprzez jawne wykorzystanie całkowego ograniczenia. Tłumaczy to niejako dwoma przyczynami, całka we wskaźniku reprezentuje efekt uboczny terapii antyangiogennej (a nie chemioterapii, jak przez pomyłkę znalazło się w pracy), zaś ograniczenie całkowe wynika z ograniczonego dostępu do leku. Ale problem optymalizacyjny z takim ograniczeniem jest problemem izoperymetrycznym i to waga we wskaźniku (k2) musi uwzględniać obie te przyczyny. Podstawową niekonsekwencją i słabością rozumowania, którą autor pracy sam sobie zafundował jest jednak wiązanie uzyskanych rezultatów z tezą o roli terapii antyangiogennej jako wspomagania radioterapii. W przytoczonym modelu i jego konsekwencjach nie ma natomiast jakiegokolwiek uwzględnienia radioterapii. Przedłużanie rozumowania dotyczącego okien bez chemioterapii na okna bez radioterapii jest nieuzasadnione. Trudno też przełożyć bezpośrednio na radioterapię wymaganie dotyczące normalizacji sieci naczyniowej, chociaż z drugiej strony wiadomo, że w przypadku hipoksji, która może być wynikiem słabego unaczynienia, efektywność radioterapii spada. Trudno się też zgodzić ze stwierdzeniem autora, że zaproponowana postać wskaźnika uwzględniająca oprócz wielkości guza wielkość indukowanej sieci naczyniowej jest oryginalnym jego osiągnięciem. W cytowanych przez autora pracach [112]- [115] oraz [117] wskaźnik jakości zawiera kombinację logarytmów tych wielkości i przez odpowiedni dobór wag można otrzymać wskaźnik proponowany w pracy. Nie można się również zgodzić ze stwierdzeniem, że to właśnie doktorant odkrył potencjalne korzyści z połączenia terapii antyangiogennej z radioterapią. Takie połączenie było rekomendowane (i poparte wynikami przedklinicznymi) wcześniej niż połączenie z chemioterapią, np. w pracach w Cancer Res. z r.1999 i 2000 (Gorski i in., Lee i in., itd., polecam również przeglądówkę E. Sierko i M. Wojtukiewicza z r w Onkologii w Praktyce Klinicznej). Cytowana w rozprawie praca Erguna i

5 in. [40] jest również poświęcona optymalizacji radioterapii połączonej z terapią antyangiogenną. Można się najwyżej zgodzić ze stwierdzeniem, że badania autora i jego sposób wnioskowania stanowią kolejną istotną przesłankę do takiego połączenia. Rozdział 6 jest poświęcony analizie wrażliwości modeli terapii antyangiogennej na parametry, przy czym autor porównuje zaproponowany przez siebie model, który jego zdaniem we właściwy sposób opisuje terapię antyangiogenną, z modelem Hahnfeldta i in. traktowanym jako model terapii antynaczyniowej. Stosuje przy tym zarówno klasyczne metody analizy lokalnej, jak i metodę FAST umożliwiającą badanie wpływu skończonych zmian parametrów (zwaną przez autora, chyba niesłusznie, analizą globalną). Zarówno metody wykorzystane w pracy jak i otrzymane wyniki uważam za prawidłowe, choć ostateczna konkluzja o wyższości terapii antyangiogennej nad antynaczyniową jest wysoce ryzykowna. W rozdziale 7 nazwanym Summary (wolałbym Conclusions lub Concluding remarks) doktorant podsumowuje pracę, omawiając najważniejsze wyniki i przedstawiając wnioski, z którymi, jak już wspomniałem, nie zawsze się zgadzam. 3. Ocena redakcji pracy. Uwagi szczegółowe. Praca napisana jest w języku angielskim, na ogół poprawnym stylistycznie (na tyle, na ile mogę to ocenić). Ogólna redakcja pracy, sposób wykorzystania źródeł, klarowność rozważań matematycznych i opis eksperymentów biologicznych i symulacyjnych nie budzą większych zastrzeżeń. Nie mam również poważniejszych uwag, jeśli chodzi o sposób wykorzystania źródeł literaturowych (choć ze wcześniejszych uwag wynika, że nie wszystkie cytowane prace doktorant przeczytał z pełnym zrozumieniem). Pewne drobne zastrzeżenia w tym zakresie można jednak traktować jako usterki redakcyjne. Wspomniałem również o pewnych błędach nomenklaturowych (np. dotyczących sterowania osobliwego), które mogą być rozważane w kategoriach merytorycznych, ale skłaniam się raczej do uznania ich za usterki redakcyjne. Jak wspomniałem rozprawa jest na ogół napisana poprawnym językiem. Niektóre sformułowania zawierają jednak niejasności, drobne błędy czy tez literówki. Oto przykłady: Str.5 anti-agniogenic Str.6 utilize (zamiast apply lub use) Str.15 such us promotion Str.15 human fibroblast secrete vascular Str.35 we see that we see that Str.47 effect of chemotherapeutic agents (chyba antiangiogenic agents) Str. 57 utilized numerical scheme Str. 57 from the no-dose to singular to full-dose Str.84 [112] I [113] to ten sam artykuł 4. Wniosek końcowy. Liczba zamieszczonych w recenzji uwag może wydawać się duża. Wiele z nich ma charakter subiektywny, część wynika z tendencji autora rozprawy do koncypowania i próby wtłoczenia wielu oryginalnych i wartościowych wyników w przyjęty na początku pracy schemat rozumowania.

6 Uważam, że postawione przez autora cele szczegółowe zostały osiągnięte. Praca jest dowodem na to, że autor posiada bardzo dobre rozeznanie w literaturze dotyczącej wybranego obszaru badań, swobodnie posługuje się zróżnicowanymi metodami badawczymi (eksperyment, metody analityczne, badania symulacyjne), potrafi prawidłowo i czytelnie przedstawić uzyskane wyniki, odnosząc je jednocześnie do światowej literatury. Na szczególną uwagę i pochwałę zasługuje umiejętność poruszania się zarówno w dziedzinie biologii, jak i matematyki. Reasumując stwierdzam, że dr n. tech. Jan Poleszczuk wykazał się wiedzą i umiejętnościami wymaganymi do uzyskania stopnia doktora w dyscyplinie Matematyka w specjalności biomatematyka lub zastosowania matematyki w biologii. Przedstawiona praca doktorska spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim przez odnośne przepisy. Wnioskuję o dopuszczenie dr. n. tech. Jana Poleszczuka do publicznej obrony rozprawy doktorskiej. Stwierdzam również, że przedstawiona dysertacja jest istotnie różna od rozprawy obronionej na Politechnice Śląskiej.