We consider the optimal design problem for identifying effective dose combinations within drug combination studies where the effect of the combination of two drugs is investigated. Drug combination studies are becoming increasingly important as they investigate potential interaction effects rather than the individual impacts of the drugs. In this situation, identifying effective dose combinations that yield a prespecified effect is of special interest. If nonlinear surface models are used to describe the dose combination-response relationship, these effective dose combinations result in specific contour lines of the fitted response model. We propose a novel design criterion that targets the precise estimation of these effective dose combinations. In particular, an optimal design minimizes the width of the confidence band of the contour lines of interest. Optimal design theory is developed for this problem, including equivalence theorems and efficiency bounds. The performance of the optimal design is illustrated in different examples modeling dose combination data by various nonlinear surface models. It is demonstrated that the proposed optimal design for identifying effective dose combinations yields a more precise estimation of the effective dose combinations than ray or factorial designs, which are commonly used in practice. This particularly holds true for a case study motivated by data from an oncological dose combination study.


翻译:我们研究了药物组合研究中识别有效剂量组合的优化设计问题,该研究旨在探究两种药物联合使用时的效应。药物组合研究日益重要,因为它关注药物间的潜在交互作用而非单一药物的独立影响。在此背景下,识别能够产生预设效应的有效剂量组合尤为关键。若采用非线性曲面模型描述剂量组合-响应关系,这些有效剂量组合对应于拟合响应模型的特定等高线。我们提出了一种新的设计准则,旨在精确估计这些有效剂量组合。具体而言,优化设计通过最小化目标等高线置信带的宽度来实现。针对该问题,我们发展了优化设计理论,包括等价性定理和效率界。通过使用多种非线性曲面模型对剂量组合数据进行建模的不同示例,展示了优化设计的性能。结果表明,与实践中常用的射线设计或析因设计相比,所提出的用于识别有效剂量组合的优化设计能够更精确地估计有效剂量组合。这一结论在基于肿瘤学剂量组合研究数据的案例研究中尤为显著。

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