توصيفگر ها :
تومور مغزي , دارورساني , فارماكوكينتيك , فارماكودايناميك , رگ¬زايي
چكيده فارسي :
سرطان يك از شايع¬ترين علل مرگ¬و¬مير در جهان است كه با رشد خارج از كنترل سلول¬ها همراه است. در ميان انواع مختلف تومورها، درمان تومورهاي مغزي بسيار چالش برانگيز است. به دليل مشكلات و خطرات روش¬هاي آزمايشگاهي، تحقيقات درباره¬ي سرطان با روي¬آوري به روش¬هاي محاسباتي آغاز شده و تغييرات اساسي كرده است. مدل¬سازي، تجزيه¬و¬تحليل و شبيه¬سازي رياضي نقش مهمي در توضيح رفتار تومور و رشد غير قابل كنترل سلول¬هاي سرطاني در مقياس¬هاي چندگانه¬ي زماني و مكاني دارد كه در نهايت، اين مدل¬هاي رياضي كه بر اساس مشخصات بيولوژيكي بنا شده¬اند ابزار قدرتمندي را براي توسعه خواص دارو و ارزيابي¬هاي پيش¬كلينيكي فراهم كرده¬ا¬ند. در اين مطالعه مدل جامعي ارائه گرديده كه به بررسي مورفولوژي تومور همزمان با دارورساني كه شامل رفتار فارماكوكينتيك و فارماكودايناميك است در دو مرحله رشد بدون رگ و رگ¬زايي به صورت دوبعدي مي¬پردازد. در اين پژوهش براي اولين بار رسانش دارو و ديناميك تومور با در نظر گرفتن شبكه مويرگي در ارتباط با جريان ميانبافتي در نظر گرفته شده است. ديناميك تومور با روش ميدان فاز مدل شده و شبكه مويرگي به روش گسسته-پيوسته هيبريدي در نرم افزار كامسول توليد شده است. مزيت روش گسسته-پيوسته هيبريدي اين است كه مي¬تواند فرايندهاي پيچيده بيولوژيكي رگ¬زايي مانند شاخه-زني و بازپيوندي را بخوبي مدل كند. به كمك مدل رياضي ارائه شده، علاوه بر مورفولوژي تومور و رفتار فارماكوكينتيك دارو، اثر برخي پارامترهاي مرتبط با دارو مانند نرخ اتصال داروي آزاد به گيرنده سلول¬ها، زمان تزريق دارو و فاصله بين هر تزريق بررسي شده است. نتايج اين مطالعه مطابق با مطالعات باليني نشان مي¬دهد كه مرحله رگ¬زايي بدليل افزايش مواد مغذي و اكسيژن توسط شبكه مويرگي توليد شده تاثير بسزايي در رشد تومور دارد. بدين صورت كه طبق نتايج حاصل شده در حالت دوبعدي اندازه تومور در مدت كمي پس از شروع مرحله رگ¬زايي در حدود 3 برابر اندازه آن در مرحله بدون رگ¬ مي¬شود. علاوه برآن، به دليل مشابه، شروع زمان شيمي¬درماني بهتر است زماني باشد كه لوپ¬هاي فعال در شبكه مويرگي شكل گرفته باشند تا انتقال دارو به طور مناسب صورت گيرد و بازه درمان كاهش يابد. شروع درمان در اين زمان نسبت اوايل مرحله رگ¬زايي مي¬تواند بازه درمان را تا 5 برابر كاهش دهد البته بايد توجه داشت كه در مسائل سه بعدي كه نزديك¬تر به واقعيت هستند ممكن است كاهش اين بازه نسبت به كاهش 5 برابري كمي كمتر يا بيشتر شود. براي درمان تومور در مرحله¬¬ي رشد بدون رگ يا حتي ابتداي رگ¬زايي تا قبل از تشكيل لوپ¬هاي فعال، شيمي¬درماني پيشنهاد نمي¬شود و روش¬هاي درماني ديگر مانند پرتودرماني طبق تجويز پزشك مي¬توانند در اين مراحل موثرتر واقع شوند. با افزايش نرخ اتصال داروي آزاد به گيرنده سلول¬ها، ميزان داروي وارد شده به سلول افزايش يافته و سلول¬هاي توموري بيشتري كشته مي¬شوند. اين مي¬تواند بازه زماني درمان را تا يك سوم نسبت به بازه درماني دارو با نرخ اتصال داروي آزاد به گيرنده سلول¬ها كم، كاهش دهد. به علاوه، زماني كه نرخ اتصال داروي آزاد به گيرنده سلول¬ها افزايش مي¬يابد، بدليل بيشتر متصل شدن داروي آزاد به سلول¬ها، غلظت دارو در ناحيه¬اي از دامنه محاسباتي به صفر مي¬رسد. اين بدان معنا است كه بافت¬هاي كمتري در معرض دارو قرار مي¬گيرند.
چكيده انگليسي :
Cancer is a diseases characterized by the uncontrolled abnormal cells growth and the statistics reveals that it is the second factor of human mortality worldwide. Among the different types of tumors, the treatment of brain tumors is immensely challenging. Due to the health hazards that may be caused in newfound clinical therapies, the innovative research on cancer has started by turning to computational methods and has made fundamental changes. Mathematical modeling is able to provide insight into tumor growth and invasion by systematic studies of fundamental constituent processes and thereby reducing the number of costly experiments needed for the development of therapies. These mathematical models are based on biological characteristics and provided a powerful tool for the development of drug properties and preclinical evaluations. In this study, a comprehensive model is presented that examines tumor morphology simultaneously with drug delivery, which includes the pharmacokinetic and pharmacodynamic behavior of the drug in two stages of avascular and angiogenic tumor growth. In this model, it is for the first time that drug delivery and tumor dynamics contains the capillary network in relation to the interstitial flow. Continuum and discrete models are two main approaches for describing the evolution of the tumor in mathematical way. In order to simulate a tumor in large-scaled systems, continuum models sounds more suitable than discrete cell ones as a one millimeter radius spheroidal tumor consists of roughly one million cells. Thus, the continuous approach is chosed to describe the tumor dynamics and the tumor interface captures with phase field method. Moreover, the capillary network is produced by discrete-continuous hybrid model in Comsol software. As the angiogenesis is extremely complex due to multiple integrated modulators and feedback loops, a discrete-continuous hybrid model can explain the intercellular growth patterns of capillaries within a tissue and facilitate understanding these complex phenomena. In addition to the tumor morphology, the effect of some parameters related to the drug, such as the association rate the free drug to the cell receptor, the time of drug injection and the interval between each injection, have been investigated. The results show that in accordance with clinical studies, the angiogenesis stage has a significant effect on tumor growth due to the increase in nutrients and oxygen produced by the capillary network. Thus, according to the obtained results, the size of the tumor in a short period after the beginning of the angiogenic stage is about 3 times its size in the avascular stage. Furthermore, the drug can be administered more effectively and the treatment period can be reduced by starting chemotherapy when the active loops have formed in the capillary network. The treatment period can be shortened by five times if the treatment begins by the formation of the active loops opposed to the early stage of angiogenesis or avascular growth. In this regard, chemotherapy is not recommended for tumor treatment in avascular growth. By increasing the association rate of the free drug, the concentration of internalized drug increases and the more drug enters the tumor cells, the more tumor cells are killed. Compared to free drugs with a low affinity to cell receptors, the treatment period can fall down by one third.