Extracto
En este artículo se presenta un entorno de simulación basado en individuos que integra múltiples escalas CompuCell3D para el modelado basado en la celosía en el nivel celular y Bionetsolver para el modelado intracelular. CompuCell3D o CC3D proporciona una implementación de modelo basado en enrejado celular Potts o CPM (también conocido como el modelo Glazier-Graner-Hogeweg o GGH) y un método de Monte Carlo basado en el algoritmo metrópolis de evolución del sistema. La integración de CC3D para sistemas celulares con Bionetsolver para los sistemas subcelulares nos permite desarrollar un modelo matemático de múltiples escalas y para estudiar la evolución del comportamiento de las células debido a la dinámica en el interior de las células, la captura de los aspectos del comportamiento de las células y la interacción que no es posible utilizando continuo enfoques. A continuación, aplicamos esta técnica de modelado multiescala a un modelo de crecimiento del cáncer y la invasión, sobre la base de un modelo previamente publicado de Ramis-Conde et al. (2008) donde el comportamiento célula individual es impulsado por una red molecular que describe la dinámica de la E-cadherina y catenina. En este modelo, la cual nos referimos como el modelo basado en el centro, se utilizó una técnica de modelado basado en individuos alternativa, a saber, un enfoque libre de celosía. En muchos aspectos, la metodología GGH o CPM y el enfoque del modelo basado en el centro tienen el mismo objetivo general, que es para imitar comportamientos y las interacciones de las células biológicas. Aunque los fundamentos matemáticos y las implementaciones computacionales de los dos enfoques son muy diferentes, los resultados de las simulaciones presentadas son compatibles entre sí, lo que sugiere que mediante el uso de enfoques basados en el individuo podemos formular de una manera natural de describir multi-célula, modelos multiescala complejos . La capacidad de reproducirse fácilmente resultados de un enfoque de modelado utilizando un enfoque alternativo es también esencial de un modelo de validación cruzada punto de vista y también ayuda a identificar los artefactos de modelado específicos de un enfoque computacional dada
Visto:. Andasari V, Roper RT, Swat MH, Capellán MAJ (2012) Integración Dinámica intracelular Usando CompuCell3D y Bionetsolver: Aplicaciones a la Modelización multiescala de crecimiento de células cancerígenas y la invasión. PLoS ONE 7 (3): e33726. doi: 10.1371 /journal.pone.0033726
Editor: Soheil S. Dadras, Universidad de Connecticut Health Center, Estados Unidos de América
Recibido: 11 Octubre, 2011; Aceptado: 16 de febrero de 2012; Publicado: 26 Marzo 2012
Derechos de Autor © 2012 Andasari et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Financiación:. Subvención somitas Nº R01 GM076692 "Estudios multiescala de segmentación en Verterbrates", CC3D conceder "Desarrollo y Mejora de la simulación de tejidos para el Medio Ambiente" No. R01 GM077138, y ERC (European Research Council) AdG subvención No. 227619 "a partir de mutaciones de metástasis: multiescala Matemática Modelización del crecimiento y propagación del cáncer "(http://erc.europa.eu/). Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
Acerca de 0,1 multiescala Modelado
Los modelos computacionales de los fenómenos biomédicos complejos, tales como el desarrollo de tumores, se están convirtiendo en una parte integral de la construcción de nuestra comprensión de la biología del cáncer subyacente. Los modelos matemáticos que se generan a partir de datos biológicos y experimentos,
por ejemplo
,
in vivo
o
in vitro
, a través de observaciones fenomenológicas en pacientes reales ayudan a la hora de explicar los mecanismos de esta fenómeno complejo. Los modelos cuantitativos, predictivos tienen el potencial de mejorar significativamente la investigación biomédica, permitiendo virtual,
in silico
modelado.
Los experimentadores y teóricos han acordado que la progresión del cáncer implica procesos que interactúan entre sí y se producen en múltiples escalas temporales y espaciales. Las escalas de tiempo involucradas varían de nanosegundos a los años: los eventos de señalización en la célula ocurren típicamente durante fracciones de segundo a unos pocos segundos, eventos transcripcionales pueden tardar horas, la división celular y el crecimiento y la remodelación tisular requieren días, los tiempos de duplicación del tumor son del orden de meses, y el crecimiento del tumor se produce durante años, etc. escalas espaciales típicas varían de nanómetros para las interacciones proteína-DNA de centímetros para un desarrollo de una masa sólida tumoral, la angiogénesis inducida por el tumor, la invasión de tejidos, etc. Estas escalas están fuertemente vinculados juntos. Un fenómeno no puede considerarse completamente usando una escala única, completamente aislada, sin tener en cuenta lo que sucede en otras escalas más pequeñas o más grandes.
En general, cuando la incorporación de diferentes escalas temporales y espaciales en modelos matemáticos, hay tres comúnmente puntos de vista usados: el nivel subcelular, el nivel celular, y el nivel de la mucosa. O bien, desde un punto de vista estos niveles también pueden ser referidos como la escala microscópica, la escala mesoscópica, y la escala macroscópica, respectivamente modelado. Cáncer generalmente comienza en el nivel subcelular marcado por eventos que ocurren dentro de la célula, tales como mutaciones genéticas, la transducción de señales químicas entre las proteínas, y un gran número de componentes intracelulares que regula las actividades hacia el exterior a nivel celular, tales como la división celular incontrolada, y desprendimiento celular que conduce a la transición epitelio-mesenquimal (EMT), etc. Las principales actividades de las poblaciones de células, como las interacciones entre las células tumorales y las células huésped, procesos intravasación y la extravasación, la proliferación, la apoptosis, la agregación y propiedades de desagregación, se ve desde todos a mayor escala, que es la escala mesoscopic. Las preocupaciones escala macroscópica actividades que se producen a nivel tisular, tales como la migración celular, la convección y la difusión de factores químicos, todos los cuales son típicos de los procesos continuos [1]