شماره راهنما :
1862 دكتري
پديد آورنده :
حيدري راراني، ظريفه
عنوان :
مدل‌سازي ديناميكي اثر غيرخطي فيبروبلاست بر متاستاز سلولهاي سرطاني
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
ده، [114]ص.: مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
جعفر قيصري، ايمان ايزدي
استاد مشاور :
شقايق حق جوي جوانمرد
توصيفگر ها :
مدل سازي ديناميكي سرطان , معادلات ديفرانسيل معمولي و جزئي غيرخطي كوپل شده , زيست شناسي سامانه ها , سيستم زيستي مبتني بر عامل , متاستاز سلولهاي سرطاني , فيبروبلاست هاي ريز محيط تومور , مدل سازي چندلايه ي حركت سلو هاي سرطاني
استاد داور :
رسول اميرفتاحي، مرضيه كمالي
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/11/12
دانشكده :
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/11/12
چكيده فارسي :
سرطان يكي از پيچيده‌ترين بيماري‌هايي است كه سالانه جان عده‌ي بسيار زيادي از مردم دنيا را مي‌گيرد. درصد بالايي از مرگ‌وميرهاي ناشي از سرطان به علت متاستاز سلولهاي سرطاني است. متاستاز به معني جدا شدن تعدادي از سلولهاي سرطاني از بافت اوليه‌ي تومور و ورود آن به ساير بافت‌هاي بدن است. مطالعات اخير پژوهشگران حوزه‌ي زيست‌شناسي سرطان نشان مي‌دهد كه علاوه بر ويژگي‌هاي ذاتي سلولهاي سرطاني، محيط اطراف تومور و شرايط حاكم بر آن نيز در متاستاز نقش به‌سزايي دارند. يكي از روش‌هاي بررسي چنين بيماري پيچيده‌اي استفاده از علم زيست‌شناسي سامانه‌ها است. زيست‌شناسي سامانه‌ها حوزه‌ي پژوهشي نوظهوري برمبناي ارتباط بين علوم مهندسي، رياضي و زيست‌شناسي است كه به درك سيستمي از فرآيندهاي زيستي تمركز دارد. در ميان ابزارهاي علم مهندسي كنترل، مدل‌سازي رياضي راهي بسيار مناسب و كارآمد براي شناسايي ديناميك سيستم زيستي و پيش‌بيني رفتار آن در شرايط گوناگون به شمار مي‌رود. در اين پژوهش، با استفاده از روش مدل‌سازي ديناميكي به ساخت مدلي چندلايه كه دربردارنده‌ي نقش سلولهاي محيط اطراف تومور به خصوص فيبروبلاست‌ها در ايجاد متاستاز است، مي‌پردازيم. اين مدل ديناميكي از دستگاه معادلات ديفرانسيلي تشكيل مي‌شود كه عموما تغييرات غلظت يك ماده‌ي خاص را در طول زمان مورد بررسي قرار مي‌دهند. اين دسته از معادلات ديناميكي را معادلات ديفرانسيل معمولي مي‌نامند. هم‌چنين در اين مدل دسته‌ي ديگري از معادلات ديفرانسيل وجود دارند كه علاوه بر تغييرات زماني به بررسي تغييرات مكاني مواد تشكيل‌دهنده‌ي سيستم نيز مي‌‌پردازند. اين دسته از معادلات، معادلات ديفرانسيل جزئي هستند كه ابزاري بسيار كارآمد براي توصيف ديناميك سيستم‌هاي زيستي مي‌باشند. در روند اين پژوهش ابتدا به معرفي سلولهاي محيط اطراف تومور و نقش آن‌ها در تغيير و تنظيم رفتار سلولهاي سرطاني خواهيم پرداخت. سپس با پيشنهاد يك مدل مبتني بر عامل، به بررسي نقش دوگانه‌ي سلولهاي فيبروبلاست در تعامل با سلولهاي سرطاني مي‌پردازيم. در گام بعدي با استفاده از معادلات ديفرانسيل معمولي و ابزارهاي تخمين پارامتر، دو دستگاه ديناميكي غيرخطي كه بيانگر ديناميك سلول سرطاني و فيبروبلاست هستند معرفي مي‌كنيم كه مي‌توانند تغييرات برخي فاكتورهاي درگير در مسيرهاي انتقال سيگنال در اين سلول‌ها را نشان دهند. در ادامه در سطح بين سلولي، مدل ديناميكي قبلي به يك سيستم كوپل شده از معادلات ديفرانسيل معمولي و جزئي توسعه داده خواهد شد كه مي‌تواند تعاملات بين سلول سرطاني و سلولهاي فيبروبلاست را مدل كند. سپس با بهره‌گيري از اين دستگاه معادلات و در نظر گرفتن ارتباط بين سلول سرطاني و ساير اجزاي ريزمحيط تومور، الگوريتمي پيشنهاد مي‌شود وضعيت هر يك از سلولهاي سرطاني را در يكي از حالت‌هاي ساكن، در حال رشد و تكثير يا مهاجر تعيين مي‌كند و سپس با استفاده از معادلات مبتني بر نيروهاي بين سلولي و نيز نيروهاي بين سلول و محيط تومور، مدل چندسطحي متاستاز تكميل مي‌گردد. اين مدل چگونگي حركت جمعيت سلولهاي سرطاني را نشان مي‌دهد. به اين ترتيب با بررسي سيستم پيچيده‌ي سرطان از ديدگاهي متفاوت و با استفاده از مدل‌سازي ديناميكي به مدلي از متاستاز دست خواهيم يافت كه پاسخ‌گوي بسياري از پرسش‌ها در زمينه‌ي چگونگي حركت و مهاجرت سلولهاي سرطاني است. با استفاده از نتايج اين پژوهش مي‌توان علاوه بر تشخيص زودهنگام مهاجرت سلولهاي سرطاني گامي در جهت نجات جان عده‌ي زيادي از افراد مبتلا به بيماري سرطان برداشت.
چكيده انگليسي :
Cancer is one of the most complex diseases claims the lives of a great number of people each year. A high percentage of cancer deaths are due to cancer cell metastasis. Metastasis is the spread of cancer cells from the primary tumor to other regions of the body. Recent studies by researchers in the field of cancer biology show that in addition to the intrinsic characteristics of cancer cells, tumor microenvironment and its governing conditions also play a significant role in metastasis. Systems biology is one of the approaches of inquiry for such a complicated disease. Systems biology is an emerging field of research which is founded on the relationship between engineering, mathematics, and biology that focuses on a systemic understanding of biological processes. Among the control engineering knowledge tools, mathematical modeling is an efficient way of identifying the biological system dynamics and predicting of its behavior in diverse scenarios. In this study, using modeling techniques, we develop a multi-layer model of metastasis that includes the roles of non-cancerous cells such as fibroblasts in the tumor microenvironment. This dynamic model consists of a system of differential equations that generally represents variations in a concentration of a particular substance over time. These dynamical equations are called ordinary differential equations. Furthermore, there is another set of differential equations in this model that shows the spatial changes of molecules in addition to the time variations. These equations are very useful in describing of biological systems dynamics. In the process of this research, we will first introduce the tumor microenvironment and its role in changing and regulating the behavior of cancer cells. Then, by proposing an agent-based model, we investigate the dual role of fibroblast cells in the interaction with cancer cells. In the next step, using ordinary differential equations and parameter estimation tools, two nonlinear dynamic systems are proposed which represent the dynamics of cancer cells and fibroblasts and time variation of some of the factors involved in signaling pathways inside these two cell types. At the intercellular level, the previous dynamic models will be developed into a coupled system of ordinary and partial differential equations that can model the interactions between cancer cells and fibroblasts. Then based on these equations and the interactions between cancer cells and tumor microenvironment, an algorithm is proposed for determining whether the cancer cells are in quiescent, proliferating or migrating status. Finally, the multi-layer model of metastasis will be completed applying a biomechanical framework which demonstrate the forces between tumor components. In this way, we will be able to create a model of metastasis that addresses many concerns about how cancer cells move and migrate by looking at the complex system of cancer from a different perspective and utilizing dynamic modeling. Using the findings of this study, a step can be made to save the lives of many cancer patients, in addition to early diagnosis of cancer cell migration.
استاد راهنما :
جعفر قيصري، ايمان ايزدي
استاد مشاور :
شقايق حق جوي جوانمرد
استاد داور :
رسول اميرفتاحي، مرضيه كمالي
