Точно решаемая пространственная модель накопления мутаций при раковых заболеваниях

Разработчики

Чэй Патерсон, Мартин А. Новак, Бартоломей Ваклав.

Описание технологии

Одним из признаков рака является накопление драйверных мутаций, которые увеличивают суммарную скорость репродукции раковых клеток и позволяют им распространяться. Этот процесс был изучен в математических моделях хорошо перемешанных популяций, а также путем компьютерного моделирования трехмерных пространственных моделей. Однако вычислительная сложность таких наиболее приближенных к реальности пространственных моделей затрудняет моделирование больших и клинически обнаруживаемых крупных опухолей.

Эта технология предлагает точно решаемую математическую модель опухоли отражающую репликацию раковых клеток, мутации, обеспечивающие клеткам преимущества приспособленности, и миграцию раковых клеток, приводящую к их распространению. Модель предсказывает квазиэкспоненциальный рост крупных опухолей, даже если различные фрагменты опухоли растут в субэкспоненциально за счет питательных веществ и пространственных ограничений. Модель воспроизводит клинически наблюдаемые времена роста опухоли с использованием биологически правдоподобных скоростей рождения и смерти клеток, а также скорости их миграции. Также было показано, что ожидаемое число накопленных драйверных мутаций экспоненциально возрастает во времени, если среднее значение прироста приспособленности на один драйвер является постоянным и достигает плато при снижении приростов с течением времени.

Практическое применение

Технология может с успехом применяться для прогнозирования развития рака. Эти прогнозы могут быть сделаны для двух аспектов рака: законов роста опухоли и генетической гетерогенности опухолей.

Возможность получения точных аналитических решений с помощью модели означает, что она работает в случаях опухолей любого размера, включая очень большие опухоли, которые должны быть удалены хирургическим путем, и поэтому она может использоваться для моделирования прогрессирования рака у человека.
Модель может быть использована для компьютерного моделирования опухолей с целью поиска новых лекарств, создания методов лечения раковых опухолей и для решения других похожих задач.

Лаборатории

• SUPA, School of Physics and Astronomy, The University of Edinburgh, Edinburgh (United Kingdom)
• Program for Evolutionary Dynamics, Harvard University, Cambridge (USA)
• SynthSys-Synthetic & Systems Biology, The University of Edinburgh, Edinburgh (United Kingdom)

Ссылки

Публикации

• Paterson, C., Nowak, M.A., Waclaw, B. «An exactly solvable, spatial model of mutation accumulation in cancer." 6 Scientific Reports, (2016): 39511.
• Waclaw, B. et al. «A spatial model predicts that dispersal and cell turnover limit intratumour heterogeneity." 526 Nature, (2015): 261–264.
• Antal, T., Krapivsky, P. L. & Nowak, M. A. «Spatial evolution of tumors with successive driver mutations." Physical Review E 92 (2015).