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癌细胞能告诉我们肿瘤的微环境吗? (英语) Zbl 07742920号

小结:肿瘤微环境(TME)的特征,如瘤内血管网的渗漏以及促结缔组织增生细胞外基质(ECM)的密度和组成,包含决定可能的异质性间质流体(IF)速度场和间质流体压力(IFP)的基本信息。这些信息对于通过血管输送的抗癌药物如何分布和可能影响肿瘤起着重要作用。我们在这项工作中处理的主要问题是:我们能否诱使癌细胞向我们透露此类信息?通过硅内肿瘤模型,我们证明,在肿瘤进展行为由癌细胞表型控制的条件下,癌细胞表型通过实验工作中报告的流体敏感性迁移机制移动,通过测量两次(T_0)和(T_1)之间癌细胞体积分数分布的变化,可以获得关于TME的此类信息,例如,基于MRI图像。我们通过使用基于连续体的肿瘤进展多相模型,结合通过集成卡尔曼滤波器方法同化观测数据,证明了这一原理,该方法已被广泛成功地用于更新储层模拟中的先进多相流模型。我们基于合成数据集的结果表明,该方法如何用于提取有价值的定量信息(例如,间质流体速度场和流体压力、反映ECM状态的组织电导率以及有效的血管电导率),而直接测量这些信息可能是不可能或不切实际的。

MSC公司:

92Cxx码 生理、细胞和医学主题
86轴 地球物理学
35季度xx 数学物理偏微分方程及其他应用领域
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全文: 内政部

参考文献:

[1] 阿农森,S.I。;Nvdal,G。;Oliver,D.S。;雷诺兹,A.C。;Vallès,B.,《油藏工程中的集合卡尔曼滤波器——综述》,SPE J.,14,3,393-412(2009)
[2] 警报,R。;Trepat,X.,《细胞集体迁移的物理模型》,《年度》。修订版Condens。物质物理学。,11, 77-101 (2020)
[3] 安德森,L.M.K。;韦格纳,C.S。;Simonsen,T.G。;Huang,R。;Gaustad,J.V。;豪格,A。;卡拉帕蒂,K。;Rofstad,E.K.,胰腺导管腺癌异种移植物的淋巴结转移和物理化学微环境,Oncotarget,8,29,Article 48060 pp.(2017)
[4] Angeli,S。;Stylianopoulos,T.,脑肿瘤生物力学和放射治疗反应的双相建模,生物医学杂志。,49, 1524-1531 (2016)
[5] 阿斯特,R.C。;Borchers,B。;Thurber,C.H.,《参数估计和反演问题》,《国际地球物理系列》,第90卷(2005年),Elsevier·Zbl 1088.35081号
[6] 巴巴赞,J。;Vignjevic,D.M.,《癌症相关成纤维细胞:力量是通向黑暗面的途径吗?》?,货币。操作。细胞生物学。,56, 71-79 (2019)
[7] Byrne,H。;金·J。;McElwain,D。;Preziosi,L.,固体肿瘤生长的两阶段模型,应用。数学。莱特。,16, 567-573 (2003) ·Zbl 1040.92015年
[8] 陈,J。;魏斯,D。;Vermolen,F.J.,胰腺癌早期治疗的计算模型,生物医学。模型。机械胆。(2019)
[9] 陈,X。;萨默斯,R.M。;Yao,J.,通过耦合反应扩散和生物力学模型预测肾脏肿瘤生长,IEEE Trans。生物识别。工程师,60,1,169-173(2013)
[10] Chilès,J.P。;Delfiner,P.,地质统计学。《空间不确定性建模》(1999),威利·Zbl 0922.62098号
[11] Desmouliere,A。;Guyot,C。;Gabbiani,G.,基质反应肌成纤维细胞:控制肿瘤细胞行为的关键角色,国际开发生物学杂志。,48, 5-6, 509-517 (2004)
[12] 德埃斯波西托,A。;斯威尼,P.W。;阿里,M。;萨利赫,M。;Ramasawmy,R。;罗伯茨,T.A。;Agliardi,G。;Desjardins,A。;Lythgoe,M.F。;Pedley,R.B.,《利用清除组织和体内灌注成像的计算流体动力学预测肿瘤中的药物摄取和治疗反应》,Nat.Biomed。工程师,2,10,773-787(2018)
[13] 埃莫里克,A.A。;Reynolds,A.C.,多数据同化的集合更平滑,Comput。地质科学。,55, 3-15 (2013)
[14] Evensen,G.,《数据同化:集合卡尔曼滤波器》(2007),施普林格出版社·Zbl 1157.86001号
[15] Evensen,G.,用于组合状态和参数估计的集合卡尔曼滤波器,IEEE控制系统。Mag.,29,3,83-104(2009)·兹比尔1395.93534
[16] Fischer,K.R。;杜兰斯,A。;Lee,S。;Sheng,J。;李,F。;Wong,S.T。;Choi,H。;El Rayes,T。;Ryu,S。;Troeger,J.,肺转移不需要上皮-间充质转化,但有助于化疗耐药,《自然》,527,7579,472-476(2015)
[17] Follain,G。;Herrmann,D。;Harlepp,S。;Hyenne,V。;北奥斯曼尼。;沃伦,S.C。;Timpson,P。;Goetz,J.G.,《肿瘤转移中的流体及其力学:形成转移》,《国家癌症评论》,第20期,第107-124页(2020年)
[18] Frieboes,H。;Jina,F。;Chuang,Y.L。;怀斯,S。;Lowengrub,J。;Cristini,V.,《三维多物种非线性肿瘤生长-II:肿瘤侵袭和血管生成》,J.Theor。生物学,2641254-1278(2010)·兹比尔1406.92049
[19] Fyles,A。;米洛舍维奇,M。;Pintile,M。;Syed,A。;莱文,W。;满语,L。;Hill,R.P.,间质流体压力和缺氧作为宫颈癌预后因素的长期表现,放射治疗。Oncol.公司。,80, 2, 132-137 (2006)
[20] 加焦利,C。;Hooper,S。;伊达尔戈·卡塞多,C。;Grosse,R。;J.F.马歇尔。;哈灵顿,K。;Sahai,E.,成纤维细胞导致癌细胞的集体侵袭,RhoGTPases在引导细胞和跟随细胞中具有不同的作用,Nat.Cell Biol。,9, 12, 1392-1400 (2007)
[21] 郭杰。;卢·W。;纪毅。;Zhang,S.,CCR7、CXCR4和VEGF-C对人胰腺导管腺癌淋巴结转移的影响,Oncol。莱特。,5, 5, 1572-1578 (2013)
[22] Hansem,L.M.K。;Huang,R。;Wegner,C.S。;Simonsen,T.G。;Gaustad,J.V。;豪格,A。;Rofstad,E.K.,《宫颈癌和胰腺癌异种移植瘤间质流体压力的瘤内异质性》,Transl。Oncol.公司。,12, 8, 1079-1085 (2019)
[23] Hompland,T。;Ellingsen,C。;Øvrebö,K.M。;Rofstad,E.K.,动态对比增强MRI在肿瘤中显示的间质流体压力和相关淋巴结转移,《癌症研究》,72,19,4899-4908(2012)
[24] Hormuth,D.A。;Jarrett,A.M。;X·冯。;Yankeelov,T.E.,用定量MRI校准肿瘤生长和血管生成的预测模型,Ann.Biomed。工程师,47,7,1539-1551(2019)
[25] 荷穆思,医学博士。;Weis,J.A。;巴恩斯,S.L。;米加,麻省理工学院。;Rericha,E.C。;Quaranta,V。;Yankeelov,T.E.,《一种结合肿瘤内异质性预测体内胶质瘤生长的机械耦合反应扩散模型》,J.R.Soc.Interface,14,128,Article 20161010 pp.(2017)
[26] 哈伯德,M。;Byrne,H.M.,《血管肿瘤在两个空间维度中生长的多阶段模型》,J.Theor。生物学,316,70-89(2013)·Zbl 1397.92333号
[27] 亨特,B.R。;Kostelich,E.J。;Szunyogh,I.,时空混沌的有效数据同化:局部集合变换卡尔曼滤波器,Physica D,230,112-126(2007)·Zbl 1115.62030号
[28] Jain,R.K。;马丁·J·D。;Stylianopoulos,T.,《机械力在肿瘤生长和治疗中的作用》,年。生物识别版本。工程,16,321-346(2014)
[29] Jarrett,A.M。;Hormuth,D.A。;巴恩斯,S.L。;X·冯。;黄,W。;Yankeelov,T.E.,《将药物输送纳入图像驱动的机械耦合反应扩散模型以预测乳腺癌对新辅助化疗的反应:理论和初步临床结果》,Phys。医学生物学。,63, 820-830 (2018)
[30] Jarrett,A.M。;Hormuth,D.A。;吴,C。;Kazerouni,A.S。;Ekrut,D.A。;维罗斯特科,J。;Sorace,A.G。;DiCarlo,J.C。;Kowalski,J。;帕特·D。;Goodgame,B。;艾弗里,S。;Yankeelov,T.E.,通过定量磁共振成像数据约束的数学模型评估乳腺癌患者特定的新辅助治疗方案,《肿瘤》,22,820-830(2020)
[31] Kalluri,R。;Zeisberg,M.,《癌症中的成纤维细胞》,国家癌症杂志,6,5392-401(2006)
[32] Kaper,H。;Engler,H.,《数学与气候》(2013),SIAM·Zbl 1285.86001号
[33] Kingsmore,K.M。;洛格斯顿,D.K。;Floyd,D.H。;皮尔斯,S.M。;普洛,B.W。;Munson,J.M.,间质流动通过CXCR4、CXCL12和CD44介导的机制不同地增加患者来源的胶质母细胞瘤干细胞的侵袭,Integr。生物学,81246(2016)
[34] Kingsmore,K.M。;Vaccari,A。;Abler,D。;崔S.X。;爱泼斯坦,F.H。;Rockne,R.C。;Acton,S.T。;Munson,J.M.,绘制脑肿瘤微环境中间质流动的MRI分析,APL Bioeng。,2,第031905条pp.(2018)
[35] Kostelich,E.J。;Kuang,Y。;McDaniel,J.M。;新泽西州摩尔。;Martirosyan,N.L。;Preul,M.C.,《从不确定数据和模型中进行精确状态估计:数据同化在人脑肿瘤数学模型中的应用》,Biol。直接,6,64(2011)
[36] 拉伯纳迪,A。;加藤,T。;布鲁盖斯,A。;Serra-Picamal,X。;Derzsi,S。;Arwert,E。;A.韦斯顿。;González-Tarragó,V。;Elosegui-Artola,A。;Albertazzi,L.,机械活性异型E-cadherin/N-cadherin粘附使成纤维细胞能够驱动癌细胞侵袭,《自然细胞生物学》。,1924-237(2017)
[37] Lakiotaki,E。;Sakellariou,S。;Evangelou,K。;利亚皮斯,G。;Patsouris,E。;Deladetsima,I.,胰腺癌中的血管和导管弹性变化,APMIS,病理学报。微生物。免疫学。扫描。,124, 3, 181-187 (2016)
[38] Langevin,H.M。;里佐,医学博士。;福克斯,J.R。;Badger,G.J。;吴杰。;科诺法古,E.E。;史蒂文斯·图特尔,D。;布法德,N.A。;Krag,M.H.,使用超声波对人体局部结缔组织网络结构的动态形态计量学表征,BMC系统。生物学,1,25(2007)
[39] Lewin,T.D。;Maini,P.K。;Moros,E.G。;恩德林,H。;Byrne,H.M.,研究死亡物质对无血管肿瘤生长影响的三相模型,数学。模型。自然现象。,15, 22 (2020) ·Zbl 1467.92061号
[40] 刘,Y。;李,J。;Sun,S。;Yu,B.,高斯随机场生成的进展:综述,计算。地质科学。,23, 1011-1047 (2019) ·Zbl 1427.60094号
[41] 罗伦岑,R.J。;巴克塔,T。;格拉纳,D。;罗,X。;Valestrand,R。;Nvdal,G.,《生产和地震数据的同时同化:在Norne油田的应用》,计算。地质科学。,24, 907-920 (2020) ·Zbl 1434.86028号
[42] Lunt,S.J。;Fyles,A。;希尔,共和党人。;米洛舍维奇,M.,《肿瘤中的间质流体压力:血管生成的治疗屏障和生物标记物》,《未来癌症》。,4, 6 (2008)
[43] 马斯切罗尼,P。;阿方索,J.C.L。;卡利,M。;Stylianopoulos,T。;Meyer-Hermann,M。;Hatzikirou,H.,《关于化学机械诱导的胶质瘤表型转变的影响》,《癌症》,11716(2019)
[44] 马斯切罗尼,P。;Stigliano,C。;Carfagna,M。;Boso,D.P。;普雷齐奥西,L。;德库齐,P。;Schrefler,B.A.,使用多相多孔介质模型预测多形性胶质母细胞瘤球体的生长,Biotech。模型。机械双醇。,15, 1215-1228 (2016)
[45] Mpekris,F。;Angeli,S。;Pirentis,A.P。;Stylianopoulos,T.,《固体肿瘤的应激介导进展:机械应激对组织氧合、癌细胞增殖和药物传递的影响》,生物医学。模型。机械双醇。,14, 6, 1391-1402 (2015)
[46] Munson,J.M。;贝拉姆孔达,R.V。;Swartz,M.A.,3D微环境中的间质流动通过CXCR4依赖机制增加胶质瘤侵袭,《癌症研究》,73,5,1536-1546(2013)
[47] Nvdal,G。;英国罗夫斯塔德。;瑟里德,K。;Evje,S.,《流体敏感性迁移机制预测胰腺癌转移和高间质流体压力之间的关系》,J.Biomech。,145154,第111362条pp.(2022)
[48] Nia,H.T。;刘,H。;Seano,G。;达塔,M。;琼斯,D。;Rahbari,N.,《固体应力和弹性能作为肿瘤机械病理学的测量方法》,《自然生物医学》。工程师,1716(2017)
[49] 波拉切克,W.J。;Charest,J.L。;Kamm,R.D.,间质流动通过竞争机制影响肿瘤细胞迁移的方向,Proc。国家。阿卡德。科学。,108, 27, 11115-11120 (2011)
[50] 乔,Y。;Andersen,P。;Evje,S。;Standnes,D.,《多孔介质中考虑粘性耦合的共流和逆流两相流模型的混合理论方法》,Adv.Water Resour。,112170-188(2018)
[51] 乔,Y。;李强。;Evje,S.,关于由竞争迁移机制驱动的肿瘤进展模型的数值离散化,Math。工程师,4,6(2022)·Zbl 1498.92064号
[52] 莱斯,M。;佩尔迪卡里斯,P。;Karniadakis,G.,《基于物理的神经网络:用于解决涉及非线性偏微分方程的正向和反向问题的深度学习框架》,J.Compute。物理。,378, 686-707 (2018) ·Zbl 1415.68175号
[53] 莱斯,M。;亚兹达尼,A。;Karniadakis,G.E.,《隐藏流体力学:Navier-Stokes为同化流动可视化数据提供的深度学习框架》(2018年)
[54] 莱斯,M。;亚兹达尼,A。;Karniadakis,G.E.,《隐藏流体力学:从流动可视化中学习速度和压力场》,《科学》,367,6481,1026-1030(2020)·Zbl 1478.76057号
[55] 谢赫,A.C。;罗赞斯基,H.A。;Hinz,B。;Swartz,M.A.,基质成纤维细胞通过间质流动诱导的基质启动促进肿瘤细胞侵袭,《癌症研究》,71,3,790-800(2011)
[56] 希尔兹,J.D。;弗勒里,M.E。;Yong,C。;Tomei,A.A。;Randolph,G.J。;Swartz,M.A.,肿瘤细胞通过间质流和自分泌CCR7信号返回淋巴管的自体趋化机制,《肿瘤细胞》,11,6,526-538(2007)
[57] Sperveslage,J.,缺乏CCR7表达是胰腺导管腺癌淋巴扩散的速率限制,国际癌症杂志,131,4,E371-E381(2012)
[58] Stylianopoulos,T。;Munn,L。;Jain,R.K.,《重建肿瘤的物理微环境以提高药物输送和疗效:从数学建模到工作台到床边》,《癌症趋势》,4292-319(2018)
[59] 斯威尼,P.W。;德埃斯波西托,A。;Walker-Suell,S。;Shipley,R.J.,《模拟液体在硅胶中通过异质、完整肿瘤的传输》,《公共科学图书馆·计算》。生物学,15,6(2019)
[60] 坦诺克,I.F。;Lee,C.M。;Tunggal,J.K。;Cowan,D.S。;Egorin,M.J.,抗癌药物通过肿瘤组织的有限渗透:实体瘤对化疗耐药性的潜在原因,临床。癌症研究,8,3,878-884(2002)
[61] Tarantola,A.,模型参数估计的反问题理论和方法(2005),SIAM·Zbl 1074.65013号
[62] 泰克托尼迪斯,M。;Hatzikirou,H。;Chauvière,A。;西蒙,M。;沙勒,K。;Deutsch,A.,《胶质瘤侵袭的内在体外细胞机制的鉴定》,J.Theor。生物学,287131-147(2011)·Zbl 1397.92370号
[63] Urdal,J。;Waldeland,J.O。;Evje,S.,有流体流动时成纤维细胞引起的癌细胞侵袭增强,Biomech。模型。机械双醇。,18, 4, 1047-1078 (2019)
[64] Vetra-Cervalho,S。;van Leeuwen,P.J。;Nerger,L。;Barth,A。;Altaf,M.U。;Brasseur,P。;柯奇格斯纳,P。;Beckers,J.M.,高维非高斯问题的最新随机数据同化方法,Tellus,Ser。A Dyn公司。流星。海洋学家。,第70、1条,第1445364页(2018年)
[65] 冯·阿伦斯(Von Ahrens,D.)。;巴加特,T.D。;Nagrath博士。;Maitra,A。;Verma,A.,《基质癌相关成纤维细胞在胰腺癌中的作用》,J.Hematol。Oncol.公司。,10, 1, 76 (2017)
[66] Waldeland,J.O。;Gaustad,J.V。;英国罗夫斯塔德。;Evje,S.,《肿瘤内异质性间质流体压力的硅片研究》,J.Theor。生物学,526,第110787条,第(2021)页·Zbl 1467.92068号
[67] Waldeland,J.O。;波拉切克,W.J。;Evje,S.,成纤维细胞存在下的肿瘤细胞集体迁移,J.Biomech。,第100条,第109568页(2020年)
[68] 沃克·塞缪尔,S。;罗伯茨,T.A。;Ramasawmy,R.,《利用对流-MRI研究肿瘤中的低速流体流动》,《癌症研究》,78,7,1859-1872(2018)
[69] 王,M。;赵,J。;张,L。;魏,F。;Lian,Y。;Wu,Y。;龚,Z。;张,S。;周,J。;Cao,K.,肿瘤微环境在肿瘤发生中的作用,《癌症杂志》,8,5,761(2017)
[70] Weis,J.A。;米加,麻省理工学院。;Yankeelov,T.E.,使用机械耦合反应扩散模型预测乳腺癌对新辅助治疗的反应,《癌症研究》,75,22,4697-4707(2015)
[71] Weis,J.A。;米加,麻省理工学院。;Yankeelov,T.E.,预测乳腺癌对新辅助治疗反应的基于三维图像的机械模型,计算机。方法应用。机械。工程,314,494-512(2017)·Zbl 1439.92114号
[72] 吴,M。;Frieboes,H.B。;McDougall,S.R。;牧师,M.A.J。;克里斯蒂尼,V。;Lowengrub,J.,《间质压力对肿瘤生长的影响:与血液和淋巴血管系统的耦合》,J.Theor。生物学,320,131-151(2013)·Zbl 1406.92330号
[73] 扬基洛夫,T.E。;夸兰塔,V。;Evans,K.J。;Rericha,E.C.,《走向临床肿瘤学肿瘤预测科学》,《癌症研究》,75,6,918-923(2015)
[74] Yeo,S.G。;Kim,J.S。;Cho,M.J。;Kim,K.H。;Kim,J.S.,放射治疗后子宫颈癌的预后因素,临床。癌症研究,15,19,6201-6207(2009)
[75] 郑,X。;卡斯滕斯,J.L。;Kim,J。;Scheible,M。;Kaye,J。;杉本,H。;吴振聪。;LeBleu,V.S。;Kalluri,R.,胰腺癌的上皮-间质转化对转移是可有可无的,但会诱导化疗耐药性,Nature,527,7579,525-530(2015)
[76] 周,H。;雷,P。;Padera,T.P.,通过淋巴系统转移的进展,细胞,10,627(2021)
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