根据首次应用于癌细胞生长的数学模型,癌细胞耐受拥挤环境的能力可能是了解肿瘤生长和形成的关键。该模型可以复制实验室实验中看到的黑色素瘤细胞生长模式,方法是在两种模拟细胞生长和扩散时控制它们周围的“排除区域”——所需的空间量。一篇描述模型和实验的论文发表在最近一期的《科学报告》杂志上。

“当我们的合作者在与正常细胞混合的培养物中培养黑色素瘤癌细胞时,”宾夕法尼亚州立大学数学教授、该论文的作者 Yuri Suhov 说,“癌细胞生长和扩散得更快,形成包围的黑色素瘤细胞簇。由非癌细胞。黑色素瘤细胞的这种聚集模式类似于二维原始肿瘤,因此我们有兴趣对这种模式的形成进行建模,以了解癌细胞是如何以这种方式生长的。黑色素瘤是一种皮肤一种相对罕见的癌症。然而,它是最致命的癌症形式之一,具有很高的转移潜力,这使得了解肿瘤生长的动态和开发早期检测方法至关重要。”

研究人员应用了 Widom-Rowlinson 模型(一种已用于从理论化学到社会学的数学模型)的修改,试图确定哪些因素可以解释实验室实验中看到的细胞生长模式。他们的模型模拟了最初均匀混合并均匀分布在网格中的两种细胞类型的生长。通过改变模型的参数,研究人员可以控制每种细胞类型复制、死亡和迁移的速度,以及细胞周围所需的排除区域。

“通过改变模拟中两种细胞类型之间的排除距离,我们能够复制实验中看到的聚类模式,”宾夕法尼亚州立大学数学访问助理教授、该论文的另一位作者 Izabella Stuhl 说。“具有更窄排除区域的细胞类型更能容忍密集条件,并形成与实验室实验中看到的黑色素瘤细胞簇几乎相同的模式。这表明‘接触抑制’的减少——一种阻止细胞从当它们碰到其他细胞时进行复制——这可能是肿瘤形成的原因。”

在他们的工作过程中,研究人员首先根据数学模型进行了预测。然后进行数值模拟,与共培养实验并行。模拟结果与实验数据反复比较。

研究人员计划结合来自癌细胞生长的真实世界实验的数据继续扩展他们的模型。这种理论建模与实验室实验的结合可能会导致对促进癌细胞生长的因素有更多的了解。

“肿瘤在正常、健康细胞无法生长的地方生长,因为细胞已经密集排列,”Suhov 说。“我们将其建模为排除区域的接触抑制可能是阻止非癌细胞不受控制地扩散的因素之一,但癌细胞以某种方式克服了这一点。另一方面,正常细胞试图形成‘边界层’,更高的细胞密度,围绕着类似肿瘤的簇,好像他们想隔离肿瘤并防止它们进一步扩散。我们的模型表明,当人们试图解释细胞生长的图像时,这些因素是相关的在实验室看到的。非常值得注意的是,来自不相关生物来源的细胞混合物显示出持久的行为模式。然而,我们希望扩展它以更好地了解癌细胞在自然环境中的行为。随着我们根据额外的实验数据继续改进我们的模型,我们可能能够建立参数,使我们能够更好地了解导致肿瘤形成的精确生物过程。”