Short and long period optimization of drug doses in the treatment of AIDS

Abstract

Técnicas de otimização numérica são úteis na solução de problemas de determinação da melhor entrada para sistemas descritos por modelos matemáticos e cujos objetivos podem ser expressos de uma maneira quantitativa. Este trabalho aborda o problema de otimizar as dosagens dos medicamentos no tratamento da AIDS em termos de um balanço entre a resposta terapêutica e os efeitos colaterais. Um modelo matemático para descrever a dinâmica do vírus HIV e células CD4 é utilizado para calcular a dosagem ótima do medicamento no tratamento a curto prazo de pacientes com AIDS por um método de otimização direta utilizando uma função custo do tipo Bolza. Os parâmetros do modelo foram ajustados com dados reais obtidos da literatura. Com o objetivo de simplificar os procedimentos numéricos, a lei de controle foi expressa em termos de uma expansão em séries que, após truncamento, permite obter controles sub-ótimos. Quando os pacientes atingem um estado clínico satisfatório, a técnica do Regulador Linear Quadrático (RLQ) é utilizada para determinar a dosagem permanente de longo período para os medicamentos. As dosagens calculadas utilizando a técnica RLQ , tendem a ser menores do que a equivalente terapia de dose constante em termos do expressivo aumento na contagem das células T+ CD4 e da redução da densidade de vírus livre durante um intervalo fixo de tempo.

Numerical optimization techniques are useful in solving problems of computing the best inputs for systems described by mathematical models and when the objectives can be stated in a quantitative form. This work concerns the problem of optimizing the drug doses in the treatment of AIDS in terms of achieving a balance between the therapeutic response and the side effects. A mathematical model describing the dynamics of HIV viruses and CD4 cells is used to compute the short term optimal drug doses in the treatments of patients with AIDS by a direct method of optimization using a cost function of Bolza type. The model parameters were fitted to actual published clinical data. In order to simplify the numerical procedures, the control law is expressed as a series and the sub-optimal control is obtained by truncating the higher terms. When the patient reaches a clinically satisfactory state, the LQR - Linear Quadratic Regulator technique is used to determine the long period maintenance doses for the drugs. The doses computed using the LQR technique tend to be smaller than equivalent constant-dose therapy in terms of increase in the counts of CD4+T cells and reduction of the density of free viruses.