Modeling Tumor Vasculature: Molecular, Cellular, and Tissue Level Aspects and Implications

برای درک عمیق زیست‌شناسی و استفاده از پیچیدگی‌های آن به نفع انسان و کاهش آسیب‌های انسانی، نیازمند رویکردهای بین رشته‌ای است که تکنیک‌های مدل‌سازی محاسباتی و ریاضی پیچیده را در بر می‌گیرد. این استراتژی‌های یکپارچه برای دستیابی به پیشرفت سریع و قابل توجه در مسائل، سلامت و بیماری، که سطوح مولکولی، سلولی و بافتی را در بر می‌گیرد، ضروری هستند. استفاده از مدل‌های ریاضی برای توصیف جنبه‌های مختلف رشد تومور سابقه بسیار طولانی دارد و به بیش از شش دهه می‌رسد. با این حال، اخیراً، پیشرفت‌های تجربی و محاسباتی ما را در درک چگونگی عملکرد فرآیندها در مقیاس‌های چندگانه برای میانجی‌گری توسعه عروق تومور و پیشبرد سرطان بهبود بخشیده است. این کتاب توسعه و استفاده از روش‌های محاسباتی و ریاضی جدید را برای رسیدگی به چالش‌های چند مقیاسی مرتبط با رشد عروقی تومور نشان می‌دهد.

در بخش اول: سیگنال‌دهی سلولی و جنبه‌های مولکولی تشکیل رگ‌های خونی تومور، مشخص خواهد شد که مدل‌سازی ریاضی می‌تواند از نظر بیوشیمیایی و بیومکانیکی به فنوتیپ یکی از مهم ترین انواع سلول های دخیل در پیشرفت سرطان است: سلول های اندوتلیال عروقی. هنگامی که توسط محیط تعدیل شده تومور واژگون می شوند، سلول های اندوتلیال عروقی منبع عروقی جدیدی را تشکیل می دهند که قادر به تغذیه و انتقال سلول های سرطانی به بافت های دیگر است. مدل‌های بخش اول اهمیت رویکردهای کمی را برای دستیابی به درک عمیق‌تر از چگونگی جنبه‌های طبیعی و غیرطبیعی ادغام سیگنال در تصمیم‌گیری‌های تکثیر، مهاجرت و بقای سلولی که منجر به رگ‌زایی پاتولوژیک تومور می‌شود، نشان می‌دهند.

تمرکز قسمت دوم، آبشار رگزایی و تمام پیچیدگی های آن است. رگ‌زایی موفقیت‌آمیز به واسطه تعامل پیچیده بین مکانیسم‌های بیوشیمیایی و بیومکانیکی، از جمله برهمکنش‌های سلول-سلول و ماتریکس سلول، اتصال گیرنده سطح سلول، و انتقال سیگنال درون سلولی انجام می‌شود. چالش عمده ای که جامعه تحقیقاتی سرطان با آن مواجه است، ادغام اطلاعات شناخته شده به روشی است که درک ما از زیربنای اصلی رگ زایی تومور را بهبود می بخشد و تلاش ها را با هدف توسعه درمان های جدید برای درمان سرطان پیش می برد. فصل‌های قسمت دوم چندین رویکرد ریاضی و محاسباتی را برجسته می‌کنند که به طور بالقوه می‌توانند این چالش را برطرف کنند.

در حالی که دو سوم اول فصل های کتاب نشان می دهد که چگونه می توان با مطالعه سیگنالینگ سلولی و مورفولوژی عروقی و عملکرد به بینش های مهمی دست یافت، مجموعه ای از فصل ها در بخش سوم :مدلسازی کل اندام رشد تومور و عروق، توسعه عروق را با پویایی رشد تومور ادغام می کند. این دو فرآیند به‌شدت به روش‌هایی به یکدیگر وابسته هستند که تنها می‌توانند از نظر تئوری با رویکردهای بیوفیزیکی که در سطوح مختلف سازمان‌دهی بیولوژیکی قرار می‌گیرند بررسی شوند و تومور و عروق در حال رشد را در هنگام تکامل مشترک توصیف کنند.

هدف این جلد ویرایش شده ارائه مروری جامع از تمام تلاش‌های مدل‌سازی که به مدل‌سازی عروق تومور می‌پردازد، نیست. در عوض، انواع روش‌های مدل‌سازی ریاضی جالب و نوآورانه برای درک توسعه و اثرات عروق تومور برجسته شده‌اند تا برخی از روندهای نوظهور در این زمینه را نشان دهند.

To profoundly understand biology and harness its intricacies for human benefit and the mitigation of human harm requires cross-disciplinary approaches that incorporate sophisticated computational and mathematical modeling techniques. These integrative strategies are essential to achieve rapid and significant progress in issues, in health and disease, which span molecular, cellular and tissue levels. The use of mathematical models to describe various aspects of tumor growth has a very long history, dating back over six decades. Recently, however, experimental and computational advances have improved our in the understanding of how processes act at multiple scales to mediate the development of tumor vasculature and drive the advancement of cancer. This book will showcase the development and utilization of new computational and mathematical approaches to address multiscale challenges associated with tumor vascular development.

In Part I: Cell Signaling and Molecular Aspects of Tumor Blood Vessel Formation, it will be come clear that mathematical modeling can help to biochemically and biomechanically phenotype one of the most important cell types involved in cancer progression: vascular endothelial cells. When subverted by the tumor modulated environment, vascular endothelial cells form a new vascular supply capable of nourishing and translocating cancer cells to other tissues. The models in Part I illustrate the importance of quantitative approaches for gaining a deeper understanding of how normal and abnormal aspects of signal integration culminate in the cell proliferation, migration, and survival decisions that result in pathological tumor angiogenesis.

The focus of Part II is the angiogenesis cascade and all of its complexities. Successful angiogenesis is mediated by the intricate interplay between biochemical and biomechanical mechanisms, including cell-cell and cell-matrix interactions, cell surface receptor binding, and intracellular signal transduction. A major challenge facing the cancer research community is to integrate known information in a way that improves our understanding of the principal underpinnings driving tumor angiogenesis and that will advance efforts aimed at the development of new therapies for treating cancer. The chapters in Part II will highlight several mathematical and computational approaches for that can potentially address this challenge.

While the first two thirds of the book’s chapters demonstrate how important insights can be gained by studying cell signaling and vascular morphology and function, the series of chapters in Part III: Whole Organ Modeling of Tumor Growth and Vasculature, will integrate vasculature development with tumor growth dynamics. These two processes strongly depend on one another in ways that can only be theoretically investigated by biophysical approaches that cut across several levels of biological organization and describe both the tumor and the developing vasculature as they co-evolve.

The purpose of this edited volume is not to provide a comprehensive review of all modeling efforts that address tumor vascular modeling; instead, a variety of interesting and innovative mathematical modeling approaches for understanding the development and effects of tumor vasculature are highlighted in order to illustrate some of the emerging trends in the field.