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使用细胞自动机评估熵和分形维数作为肿瘤生长和治疗反应的生物标记。 (英语) Zbl 1518.92045号

小结:基于细胞的模型为模拟复杂系统提供了一种有用的方法,这些系统具有自适应、弹性的特性,例如癌症。他们对单个细胞相互作用的关注使他们成为研究癌症治疗效果的一个特别合适的策略,而癌症治疗通常是为了破坏单细胞动力学。在这项工作中,我们将其作为研究癌症成像生物标记物(IBM)时间演变的可行方法。我们提出了肿瘤生长的细胞自动机模型和三种不同的治疗方法:化疗、放疗和免疫治疗,遵循文献中记录的成熟建模程序。该模型生成一系列肿瘤图像,从中可以获得两个生物标志物的时间序列:熵和分形维数。我们的模型表明,分形维数在癌细胞扩散开始时增加得更快。同时,熵对不同治疗方式引起的肿瘤变化更敏感。这些观察结果表明,拟议生物标记物的预测价值可能随时间而有很大差异。因此,有必要评估其在不同癌症阶段和不同成像方式中的应用。从结果中得出的另一个观察结果是,当应用的治疗攻击沿着自动机区域分散的癌细胞时,两种生物标记物变化缓慢,在治疗结束时留下多个独立的细胞簇。因此,模拟生物标志物时间序列的变化模式可以反映特定癌症干预措施的空间作用的本质。

MSC公司:

92立方 病理学、病理生理学
92 C50 医疗应用(通用)
28A80型 分形
68问题80 细胞自动机(计算方面)

软件:

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参考文献:

[1] 詹姆斯·白什(James W.Baish)。;Jain,Rakesh K.,分形与癌症,透视。癌症研究,60,3683-3688(2020)
[2] 生物标记物定义工作组,生物标记物和替代终点:首选定义和概念框架,临床。药理学。疗法。,189-95年3月(2021年)
[3] Boas,Sonja E.M。;Merks,Roealand M.H.,在血管生成的计算模型(BMC系统)中,Tip细胞超滤作为芽生的副作用发生。生物,9(2015)
[4] 萨拉·布吕宁克(Sarah C.Brüningk)。;Peter Ziegenhein;伊恩·里文斯(Ian Rivens);乌尔夫克,乌韦;ter Haar,Gail,辐射和热疗治疗球体反应的细胞自动机模型,科学。9号代表(2019年)
[5] Chaplain,M.A.J.,《实体肿瘤中的无血管生长、血管生成和血管生长:肿瘤发展阶段的数学模型》,数学。计算。建模,23,47-48(1996)·Zbl 0859.92012
[6] 佩德罗·弗朗西斯科·费拉兹(Pedro Francisco Ferraz);加蒂,马尔西奥;费尔南多·内斯特(Fernando Nestor)法西奥(Facio);何塞·杰马诺·费拉兹(JoséGermano Ferraz);莫雷拉、罗伯托·道格拉斯;Luiz Otávio Murta;拉萨·费拉兹(Laísa Ferraz),阿鲁达(de Arruda);de Godoy,Moacir Fernandes,前列腺癌组织学诊断中分形维数和Shannon熵的量化,BMC Clin。病理学。,13 (2013)
[7] 劳伦特·德里克(Laurent Dercle);萨米·阿马利;马蒂尔德·贝特森;杜兰德、保罗·布朗;伊娃·哈斯平格;克里斯托弗·马萨;西里尔·贾代特(Cyril Jaudet);安德烈亚·瓦尔加;Eric Deutsch;Soria、Jean-Charles;Ferté,Charles,《以辐射为基础的熵作为肿瘤异质性替代物的极限:ROI区域、采集协议和组织位置产生重大影响》,Sci。代表(2017)
[8] 劳伦特·德里克(Laurent Dercle);萨米·阿马利;马蒂尔德;贝特森;杜兰德、保罗·布兰科;伊娃·哈斯平格;克里斯托夫·马萨德;西里尔·贾代特(Cyril Jaudet);安德烈亚·瓦尔加;Eric Deutsch;Soria、Jean-Charles;Ferté,Charles,以放射组学为基础的熵作为肿瘤异质性替代物的极限:ROI区域、采集方案和组织部位产生重大影响,Sci。2017年7月7日(2007年)
[9] Dietert,Rodney R.,《分形免疫学和免疫模式:免疫保护和优化的潜在工具》,J.Immunotoxicol。,8 (2011)
[10] 埃格兰(Tormod A.M.)。;乔恩·维达尔·戈斯塔德;坎蒂·加拉帕蒂;Rofstad,Einar K.,肿瘤坏死的磁共振成像,肿瘤学报。,50, 3, 427-434 (2011)
[11] Eisenhauer,E.A.,《实体肿瘤的新反应评估标准:修订的RECIST指南》(1.1版),《欧洲癌症杂志》,45,228-247(2009)
[12] 利亚姆·埃尔金顿;阿迪卡里、普拉卡什;Pradhan,Prabhakar,使用透射光学显微镜检测癌症进展的分形维数分析,生物物理学,259-69(2022)
[13] Heiko Enderling;牧师Mark A.J。;Philip Hahnfeldt,肿瘤动力学和放射治疗的定量建模,生物学报。,58, 341-353 (2010)
[14] Fowler,John F.,《线性二次公式与分次放射治疗进展》,英国放射医学杂志。,62, 62 (2014)
[15] 纳迪尔·加尼姆;卡斯滕,阿尔特霍费尔;福特沃“垂钓者,亚历克斯;温特勒,简;施”阿弗,奥利弗;奥利弗·斯普林格(Oliver Springer);Elmar Kotter;Langer,Mathias,胃肠道间质瘤的计算机断层扫描,欧洲放射医学杂志。,13, 1669-1678 (2003)
[16] 道格拉斯·哈纳汉;Robert A.Weinberg,《癌症的标志:下一代》,《细胞》,144646-674(2011)
[17] 哈拉兰博斯哈齐基鲁;大卫·巴桑塔(David Basanta);西蒙·马蒂亚斯;Schaller,K.,“要么发展,要么成长”:肿瘤进展中出现侵袭的关键?,数学。医学生物学。,29, 49-65 (2012) ·Zbl 1234.92031号
[18] 哈拉兰博斯哈齐基鲁;乔治·布雷尔;Deutsch,Andreas,肿瘤侵袭的细胞自动机建模,复杂社会行为。系统。博弈论和基于代理的模型,851-863(2020)·Zbl 1458.92021号
[19] 高庆昌;Yeh,Lee-Ren;郭玉亭;Chen,Jeon Hor,评估肿瘤反应的成像生物标记物:RECIST及其后,生物标记研究(2021)
[20] Kroc,Jiff;Peter M.A.Sloot,《元胞自动机复杂系统建模》,353-360(2009),《信息科学参考》
[21] Legaria Peña,,Sanchez-Morales,,Cortes-Poza,,0000。肿瘤治疗自动化,https://github.com/walup/Tumor_Therapy_Automata。
[22] 保罗·麦克林(Paul Macklin);玛丽·E·埃杰顿。;阿拉斯泰尔·汤普森(Alastair M.Thompson)。;Cristini,Vittorio,导管原位癌(DCIS)患者校准的基于试剂的模型,从宏观测量到临床进展的宏观预测,J.Theoret。生物学(2012)
[23] 丹尼尔·马莱特(Daniel G.Mallet)。;De Pillis,Lisette G.,肿瘤-免疫系统相互作用的细胞自动机模型,J.Theoret。生物学,239,334-350(2006)·Zbl 1445.92079号
[24] 马丁,索菲;Deffuant,纪尧姆;贾斯汀·卡拉布雷斯(Justin M.Calabrese),《用数学方法定义弹性:从吸引子到生存能力》(复杂系统的生存能力和弹性(2011),施普林格),15-36
[25] 麦克马洪,斯蒂芬·约瑟夫,《线性二次模型:使用、解释和挑战》,《物理学》。医学生物学。,64 (2018)
[26] 约翰·梅茨卡尔(John Metzcar);王亚飞;Randy Heiland;Paul Macklin,癌症生物学中基于细胞的计算模型综述,JCO Clin。癌症信息。(2019)
[27] Neumann,John Von,《自复制自动机理论》(1966),伊利诺伊大学出版社
[28] Timothy M.Pawlik。;Keyomarsi,Khandan,细胞周期在调节放射敏感性中的作用,国际放射杂志。昂科尔。生物物理。,59 (2004)
[29] 阿比·佩伦帕纳尼(Abbey J.Perumpanani)。;西蒙斯(David L.Simmons)。;Gearing公司,Andrew J.H。;凯伦·米勒(Karen M.Miller)。;乔治·沃德;约翰·诺伯里(John Norbury);马库斯·施尼曼;Sherrat,Jonathan A.,细胞外基质介导的趋化作用可以阻止细胞迁移,Proc。生物科学。,265, 2347-2352 (1998)
[30] Piotrowska、Monika Joanna;Angus,Simon D.,《体外多细胞球形肿瘤生长的定量细胞自动机模型》,J.Theoret。生物学,258,2165-178(2009)·Zbl 1402.92058号
[31] Pourhasanzade,Fateme;Sabzpoushan,S.H.,《化疗对肿瘤生长影响的细胞自动机模型:靶向癌症和免疫细胞》,数学。计算。模型。动态。系统。,25, 63-89 (2019) ·Zbl 1484.92046号
[32] Gibin G.鲍瓦提尔。;柯斯蒂·戈登(Kirsty E.Gordon)。;Lydia A.Hill。;Chaplain,Mark A.J.,《模拟细胞周期异质性对实体肿瘤化疗反应的影响:来自混合多尺度细胞自动机模型的生物学见解》,J.Theoret。生物学,308,1-19(2012)·Zbl 1411.92146号
[33] Raijinikanth,V。;撒旦病,苏雷什·钱德拉;费尔南德斯(Fernandez)、史蒂文·劳伦斯(Steven Lawrence);Nachiappan,S.,《基于熵的脑磁共振图像肿瘤分割——基于教学的优化研究》,模式识别。莱特。,94, 87-95 (2017)
[34] 泰勒·M·里斯。;安东尼·布尔佐斯卡;Yott,Dylan T。;Daniel J.Kelleher,《线虫神经网络的自相似和分形特性分析》,《公共科学图书馆·综合》(2012)
[35] 施瓦布,E.D。;Pienta,K.J.,《癌症作为一个复杂的适应系统》,医学假说,47235-241(1996)
[36] 湿婆沙赫莫拉迪;拉哈塔巴德(Rahatabad)、费雷杜恩·诺什拉文(Fereidoun Nowshiravan);Maghooli,Keivan,具有免疫反应和免疫治疗的无血管肿瘤生长的随机细胞自动机模型,Inform。Med.Unlocked,1281-87(2018年)
[37] Donna S.Shewach。;罗伯特·D·库赫塔,《癌症化疗导论》,《化学》。修订版,109,72859-2861(2009)
[38] 德文德拉·索姆万西;阿舒托什·库马尔;普拉蒂马沙尔马;Joshi,Deepika,利用熵测量从MRI肿瘤图像中高效检测脑肿瘤, (2016年工程最新进展和创新国际会议计算机科学笔记(2016),IEEE)
[39] 苏南,英;刘,杨;马晓丽;胡浩,细胞周期调控对化疗的影响,国际分子科学杂志。,22 (2021)
[40] 冯·科尔夫(von Korff),温和;Sander,Thomas,通过分形维数计算的分子复杂性,科学。代表,967(2019)
[41] 王新荣;波夫,阿尔弗雷多·玛丽亚;朱塞佩·西蒙;马斌云,VEGFR-2介导的生理功能和病理作用的分子基础,前沿。细胞发育生物学。(2020年)
[42] 世界卫生组织,癌症(2022),https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/carcer。(2022年7月19日访问)
[43] 谢杭;焦,杨;范启辉;海、苗苗;杨佳恩;胡志坚;杨越;帅、建伟;陈,郭;Liu,Ruchuan,化学疗法下异质微环境中三维侵袭性实体瘤生长建模,PLoS One,13,10,文章e00206292 pp.(2018)
[44] 萨米拉·祖赫里(Samira Zouhri);萨阿迪、斯马哈内;Rachik,Mostafa,使用混合细胞自动机模型模拟肿瘤对免疫治疗的反应,国际期刊应用。计算。数学。,3, 1077-1101 (2017) ·Zbl 1397.92383号
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