LEAPS-MPS: Optimal Design of Therapeutic Phage Cocktails: a Data-Driven Mathematical Approach

LEAPS-MPS:治疗性噬菌体混合物的优化设计:数据驱动的数学方法

基本信息

  • 批准号:
    2316631
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Antimicrobial resistance has been described as one of the biggest threats to human health in the twenty-first century. Antibiotic-resistant bacteria, found in people, animals, plants, and the environment, have rapidly emerged and spread throughout the world. Bacteriophages, or phages for short, are viruses that have evolved to infect and kill bacteria. Before the widespread use of antibiotics, phage therapy was successfully applied for the treatment of a variety of infections in the 1920s and 1930s. As a century-old infection remedy, phage therapy is currently viewed as a potential antibiotic alternative and is being widely redeveloped to treat multidrug-resistance infections. There are millions of phages in existence, each with different properties, it is therefore impossible to experimentally test them for efficacy against individual clinical pathogens. Mathematical models can help identify characteristics that would suggest that a phage is a promising therapeutic candidate. This project will lead to the development of an optimal combination phage cocktail and antibiotic therapy and further reduce the health risks at the human-animal-plant-ecosystem interface caused by antimicrobial resistance. The project will engage undergraduate students with different research backgrounds and interests and support underrepresented students in STEM at The College of Wooster. Students will benefit from receiving year-round interdisciplinary training in formulating genuine life science questions into standard mathematical problems. The project will additionally advance curricular and program development, which will enhance the institution's research environment and further establish a sustained, student-focused, and interdisciplinary research program in mathematical biology at Wooster. The project will explore the treatment efficacies of single, double simultaneous, and double sequential administration strategies with three Pseudomonas phages by using nonlinear ordinary differential equations to model the density-dependent interactions between multiple-phage and bacteria. Unlike previous studies that focused on the phage-killing aspect of phage therapy, this project will incorporate both phage-killing and the evolution of bacterial phage resistance. Understanding both is important for the future development of a combination phage cocktail and antibiotic therapy. The investigator will consider a more biologically realistic mixing than the commonly used linear interaction, as adsorption rate is linked to bacterial growth, investigate the stochastic modeling approach to capture the emergence of phage-resistant bacteria, and analyze the structure of the model using bifurcation and sensitivity analyses to inform further modeling modifications. The modeling framework has many inferential and exploratory uses for clinical investigation such as identifying the most sensitive model parameters, corresponding to phage characteristics, for phage selection as well as exploring different treatment regimens. The species-specific and phage-specific modeling studies can be used as predictive analytics tools to assist in the design of future clinical studies and to improve the understanding of experimental data.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
抗菌素耐药性已被描述为二十一世纪对人类健康的最大威胁之一。在人类、动物、植物和环境中发现的抗生素耐药细菌迅速出现并在世界各地传播。噬菌体,简称噬菌体,是一种进化成可以感染和杀死细菌的病毒。在抗生素广泛使用之前,噬菌体疗法在20世纪20年代和30年代成功地应用于治疗各种感染。作为一种有百年历史的感染治疗方法,噬菌体疗法目前被视为一种潜在的抗生素替代品,并正在被广泛重新开发以治疗多重耐药感染。存在数百万个噬菌体,每个噬菌体具有不同的特性,因此不可能通过实验测试它们对单个临床病原体的功效。数学模型可以帮助识别表明噬菌体是有希望的治疗候选者的特征。该项目将导致噬菌体鸡尾酒和抗生素治疗的最佳组合的开发,并进一步减少由抗菌素耐药性引起的人类-动物-植物-生态系统界面的健康风险。该项目将吸引具有不同研究背景和兴趣的本科生,并支持伍斯特学院STEM领域代表性不足的学生。学生将受益于接受全年的跨学科培训,将真正的生命科学问题转化为标准的数学问题。该项目还将推进课程和项目开发,这将增强该机构的研究环境,并进一步在伍斯特建立一个持续的,以学生为中心的跨学科数学生物学研究项目。该项目将通过使用非线性常微分方程来模拟多噬菌体和细菌之间的密度依赖性相互作用,探索单次,双次同时和双次顺序给药策略对三种假单胞菌的治疗效果。与以前的研究不同,这些研究集中在噬菌体治疗的噬菌体杀伤方面,该项目将结合噬菌体杀伤和细菌噬菌体抗性的演变。了解这两个是重要的组合噬菌体鸡尾酒和抗生素治疗的未来发展。研究者将考虑比常用的线性相互作用更具生物学现实性的混合,因为吸附速率与细菌生长有关,研究随机建模方法以捕获噬菌体抗性细菌的出现,并使用分叉和敏感性分析分析模型的结构,以通知进一步的建模修改。建模框架具有许多推理和探索性的临床研究,如确定最敏感的模型参数,对应于噬菌体的特征,噬菌体的选择,以及探索不同的治疗方案。物种特异性和噬菌体特异性建模研究可用作预测分析工具,以帮助设计未来的临床研究,并提高对实验数据的理解。该奖项反映了NSF的法定使命,并被认为值得通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估来支持。

项目成果

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