مدل اتوماتاي سلولي تركيبي چند‌مقياسه رشد تومور بدون رگ: اثر مواد غذايي و اسيديته بر رشد تومور

A Multiscale Hybrid Cellular Automata Model of Tumor Growth: The Impact of Nutrient and Acidity on Tumor Growth

سرطان پس از بيماري‌هاي قلبي و تصادفات، سومين عامل اصلي مرگ در ايران است. مدل‌هاي رياضي و محاسباتي، كمك بزرگي به مطالعه پديده‌هاي مرتبط با رشد سرطان مي كنند. اين مدل ها، حتي مي توانند به بهبود درمان‌هاي فعلي و معرفي روش‌هاي درماني جديد، منجر شوند. در اين مقاله، با استفاده از مفهوم اتوماتاي سلولي و با تكيه بر اثر ريزمحيط اطراف تومور، مدلي چند‌مقياسه از رشد سرطان معرفي شد. دو شبكه مربعي مجزا، شامل شبكه متابوليك و شبكه سلولي، در‌نظر‌گرفته شد. شبكه سلولي داراي چهار حالت سلولي سرطاني تكثير‌شونده، سرطاني غير‌تكثير‌شونده، نكروتيك و سلول سالم مي باشد. تغيير حالت سلول‌ها و رشد تومور، در اين شبكه انجام مي‌شود. توليد، مصرف و انتشار مواد غذايي، شامل اكسيژن، گلوكز و مواد زايد، شامل اسيد لاكتيك، در شبكه متابوليك انجام مي‌شود. در اين تحقيق، قوانين تغيير حالات هر سلول با استفاده از مدلي تصادفي و بر‌مبناي سطح غلظت مواد غذايي و زايد، تعيين شده است. در اين مقاله، علاوه‌بر نمايش گرافيكي دو‌بعدي رشد تومور، پارامترهاي كسر رشد و كسر نكروتيك، به‌عنوان خروجي‌هاي مدل، در‌نظر‌گرفته شده‌اند. تغييرات سطح مواد غذايي و زايد در شبكه متابوليك و اثر اسيديته محيط بر رشد تومور، در اين مقاله گزارش شده است. مدل پيشنهادي در اين مقاله، با استفاده از داده هاي تجربي in vivo اعتبار‌سنجي شده است. نتايج، حاكي از توانايي مدل براي شبيه‌سازي رشد تومور در شرايط خواسته‌شده مي باشد.

Cancer is the third leading cause of death in Iran after cardiac diseases and car accidents. Mathematical and computational models are great help to better understand cancer related phenomena. It may even improve common therapies or introduce new therapies. In this paper, a new multiscale cellular automata model of tumor growth based on the tumor micro-environment is introduced. Two separate square lattices are presumed for metabolic and cellular spaces. One of the following four states can be devoted to each cell in the cellular lattice: proliferating cancer, non- proliferating cancer, necrotic, and normal cells. Changing the cellʹs state and tumor growth is discussed in this lattice. However, production/consumption, and the diffusion of nutrients (oxygen and glucose) and also waste products including lactic acid are studied in the metabolic lattice. In this study, we determined the stochastic rules of altering the states of each cell based on the concentration rates of nutrients and lactic acid. The growth fraction and necrotic fraction were used as output parameters beside a 2-D graphical display of growth. The changes in the level of nutrients in the metabolic lattice and the effect of acidity on the growth of tumor have been reported in this paper. Our simulations faithfully reproduce the in vivo experimental observations reported for cholangiocarcinoma.