نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

مدل محاسباتی توسعه یافته‌ی پخش اکسیژن ناشی از رگ‌زایی در یک تودینه‌ی سرطانی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

محمود برزوئی 1
مجتبی عمادی بایگی 2
محمد مردانی 3
حسن ربانی 4

1 دکتری، گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 دانشیار، گروه ژنتیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

3 استاد، گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران / مرکز پژوهشی فناوری نانو، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

4 دانشیار، گروه فیزیک، دانشکده‌ی علوم پایه، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران / مرکز پژوهشی فناوری نانو، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

https://doi.org/10.22041/ijbme.2023.2004938.1851
چکیده
بررسی و تحلیل دینامیک رشد و تغییرات تودینه­های مهاجم در پاسخ به شرایط ریزمحیطی متفاوت جهت طراحی رویکرد­های درمانی بسیار مهم است. رسیدن یک تودینه به حداکثر میزان رشد غیرعروقی سبب شروع رقابت یاخته­های آن جهت رسیدن به منابع غذایی و اکسیژن بیش‌تر و آغاز فرایندهایی پیچیده در مسیر تحول آن می­شود. درک توزیع اکسیژن در محیط تودینه برای مطالعه­ی پیچیدگی­های موجود در روند پیش‌رفت سرطان اهمیت ویژه­ای دارد. مدل­های فیزیکی موجود برای بررسی توزیع اکسیژن در تودینه­ها بر اساس معادلات واکنش-پخش بوده که عامل­هایی مانند تشکیل و توزیع شبکه­ی عروقی جدید در آن موثر است. در این مطالعه یک مدل محاسباتی برای بررسی توزیع اکسیژن با توجه به تشکیل شبکه­ی عروقی در یک تودینه­ی کم­اکسیژن شده ارائه گردیده است که نسبت به بسیاری از روش­های معمول، محدودیت­ها و پیچیدگی­های محاسباتی بسیار کم‌تری دارد و حجم محاسبات را کاهش می­دهد. در این مدل، پخش اکسیژن از شبکه­ی عروقی درون تودینه با استفاده از حل معادله­ی پخش اکسیژن به وسیله­ی تغییر نگاه به شرایط مرزی و هم‌چنین حذف شرط هم‌گرایی در حل عددی معادله­ی پخش شبیه­سازی شده است. این مدل زمانی که با داده‌های بالینی کافی تکمیل شود می‌تواند به توسعه­ی ابزارهای کارآمد در رویکرد درمانی برخی سرطان­ها منجر شود.

کلیدواژه‌ها

دینامیک تودینه
شبکه‌ی عروقی
معادله‌ی واکنش-پخش
توزیع اکسیژن

موضوعات

عنوان مقاله English

A Developed Computational Model of Oxygen Diffusion Caused by Angiogenesis in a Cancer Tissue

نویسندگان English

Mahmood Borzouei 1
Modjtaba Emadi-Baygi 2
Mohammad Mardaani 3
Hassan Rabani 4
1 Ph.D., Department of Physics, Faculty of Science, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
2 Associate Professor, Department of Genetics, Faculty of Science, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
3 Professor, Department of Physics, Faculty of Science, Shahrekord University, Shahrekord, Iran / Nanotechnology Research Center, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
4 Associate Professor, Department of Physics, Faculty of Science, Shahrekord University, Shahrekord, Iran / Nanotechnology Research Center, Shahrekord University, Shahrekord, Iran
چکیده English

It is critical for developing treatment strategies to investigate and analyze the growth dynamics and changes of invasive tumors in response to various microenvironmental conditions. When a tumor reaches its maximum amount of non-vascular growth, its cells compete for more food and oxygen sources, triggering complex processes in its evolution. Understanding the distribution of oxygen in the tumor environment is critical for unraveling the complexities of cancer progression. Existing physical models for studying oxygen distribution in tumors are based on reaction-diffusion equations, which include factors such as the formation and distribution of the new vascular network. In this study, we presented a computational model to investigate the distribution of oxygen in a hypoxic tumor based on the formation of the vascular network, which has fewer limitations and computational complexity than many common methods and reduces the volume of calculations. When complete with sufficient clinical data, this model can lead to the development of efficient tools in the treatment strategy of some cancers.

کلیدواژه‌ها English

Tumor Dynamic
Vascular Network
Reaction-Diffusion Equation
Oxygen Distribution
  1. Pries, A. R., Reglin, B. & Secomb, T. W. Structural adaptation of microvascular networks: functional roles of adaptive responses. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 281, 2001.
  2. Betof, A. S. et al. Modulation of murine breast tumor vascularity, hypoxia and chemotherapeutic response by exercise. J. Natl Cancer Inst. 107, djv040, 2015.
  3. A. Levine and B. D. Sleeman, “Modelling Tumour-Induced Angiogenesis,” in Chapman & Hall/CRC mathematical and computational biology series, 1st ed., Chapman and Hall London, 2003, pp. 47–183.
  4. M. F. Merlo, J. Pepper, B. J. Reid, and C. C. Maley, “Cancer as an evolutionary and ecological process,” Nature Reviews Cancer, vol. 6, no. 12, pp. 924–935, 2006.
  5. C. Maley et al., “Classifying the evolutionary and ecological features of neoplasms,” Nature Reviews Cancer, vol. 17, no. 10, pp. 605–619, 2017.
  6. س. ح. سبزپوشان، ف. پورحسن‌زاده. «پیشنهاد روشی جدید برای کند کردن رشد تومور بدون رگ» نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی، دوره 11، شماره 1، 1396.
  7. Xing and X. Tian, “Investigating epithelial-to-mesenchymal transition with integrated computational and experimental approaches,” Physical Biology, vol. 16, no. 3, p. 031001, 2019.
  8. Yilmaz, M. & Christofori, G. EMT, the cytoskeleton, and cancer cell invasion. Cancer Metastasis Rev. 28, 15–33, 2009.
  9. A. Beard, “Modeling of Oxygen Transport and Cellular Energetics Explains Observations on In Vivo Cardiac Energy Metabolism,” PLOS Computational Biology, vol. 2, no. 9, p. e107, 2006.
  10. Terragni, M. Carretero, V. Capasso, and L. L. Bonilla, “Stochastic model of tumor-induced angiogenesis: Ensemble averages and deterministic equations,” Physical Review E, vol. 93, no. 2, 2016.
  11. L. Espinoza, P. Peschke, and C. P. Karger, “A model to simulate the oxygen distribution in hypoxic tumors for different vascular architectures,” Medical Physics, vol. 40, no. 8, p. 081703, 2013.
  12. م. روغنی یزدی، ن. نقوی، ف. حسینی. «مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرایند رشد عروقی تومور» نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی، دوره 9، شماره 2، 1394.
  13. C. Franssen, T. Lorenzi, A. E. F. Burgess, and M. A. J. Chaplain, “A Mathematical Framework for Modelling the Metastatic Spread of Cancer,” Bulletin of Mathematical Biology, vol. 81, no. 6, pp. 1965–2010, 2019.
  14. R. A. Anderson, M. a. J. Chaplain, and K. A. Rejniak, “Single-cell-based models in biology and medicine,” Mathematical Medicine and Biology, vol. 25, no. 2, pp. 185–186, 2007.
  15. ف. پورحسن زاده، س. ح. سبزپوشان، ع. علیزاده، ا. عصمتی، «مدل اتوماتای سلولی ترکیبی چند‌مقیاسه‌ی رشد تومور بدون رگ: اثر مواد غذایی و اسیدیته بر رشد تومور» نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی، شماره 10، دوره 2،
  16. ف. پورحسن زاده، س. ح. سبزپوشان، د. نوزادمکوندی، «ارائه‌ی یک مدل رشد تومور ناهمگون با اثر سلول‌های موثر ایمنی بر اساس اتوماتای سلولی: بررسی مدل از نقطه‌نظر درمانی» نشریه‌ی علمی مهندسی پزشکی زیستی، شماره 13، دوره 2،
  17. Pillay, H. M. Byrne, and P. K. Maini, “Modeling angiogenesis: A discrete to continuum description,” Physical Review, vol. 95, no. 1, 2017.
  18. Yanagisawa, M. Sugimoto, and T. Miyashita, “Mathematical simulation of tumour angiogenesis: angiopoietin balance is a key factor in vessel growth and regression,” Scientific Reports, vol. 11, no. 1, 2021.
  19. Robertson-Tessi, R. J. Gillies, R. A. Gatenby, and A. R. A. Anderson, “Impact of Metabolic Heterogeneity on Tumor Growth, Invasion, and Treatment Outcomes,” Cancer Research, vol. 75, no. 8, pp. 1567–1579, 2015.
  20. Borzouei, M. Mardaani, M. Emadi-Baygi, and H. Rabani, “Development of a coupled modeling for tumor growth, angiogenesis, oxygen delivery, and phenotypic heterogeneity,” Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2023.
  21. Korhonen, J. H. Lagerlöf, and A. Muntean, “Computational study of the effect of hypoxia on cancer response to radiation treatment,” bioRxiv, 2020.
  22. S. Carslaw and J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, 2nd ed. Oxford University Press, 1959.
  23. Sander, “Compilation of Henry’s law constants (version 4.0) for water as solvent,” Atmospheric Chemistry and Physics, vol. 15, no. 8, pp. 4399–4981, 2015.
  24. Dasu, I. Toma-Dasu, and M. Karlsson, “Theoretical simulation of tumour oxygenation and results from acute and chronic hypoxia,” Physics in Medicine and Biology, vol. 48, no. 17, pp. 2829–2842, 2003.
  25. C. Chow, L. Wenning, W. R. Miller, and E. T. Papoutsakis, “Modeling pO2 Distributions in the Bone Marrow Hematopoietic Compartment. I. Krogh’s Model,” Biophysical Journal, vol. 81, no. 2, pp. 675–684, 2001.
  26. Diepart, B. F. Jordan, and B. Gallez, “A New EPR Oximetry Protocol to Estimate the Tissue Oxygen ConsumptionIn Vivo,” Radiation Research, vol. 172, no. 2, pp. 220–225, 2009.
  27. Lyng, K. Sundfør, G. Tanum, and E. K. Rofstad, “Oxygen Tension in Primary Tumours of the Uterine Cervix and Lymph Node Metastases of the Head and Neck,” Springer eBooks, pp. 55–60, 1997.
نشریه علمی مهندسی پزشکی زیستی
دوره 17، شماره 1
بهار 1402
صفحه 59-69

  • تاریخ دریافت 27 خرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 21 مهر 1402
  • تاریخ پذیرش 23 آبان 1402

صفحه اصلی

تماس با ما