Modeling Tumor Growth and Angiogenesis

Slides:



Advertisements
Apresentações semelhantes
Presenter’s Notes Some Background on the Barber Paradox
Advertisements

Laboratório de Sistemas Distribuídos (LSD) – Universidade Federal de Campina Grande (UFCG)EELA Grid School – December 04, 2006 Enhancing SegHidro/BRAMS.
INPAs insights on LBA (and its role as the coordinating institution): (based on and the message from INPAs General Director, Dr Adalberto Val, and on former.
Recommendations from 16 th SSC on MCT document on LBA-2.
Por Dave Batty 3/2012 T Disciplinando alunos no programa Desafio Jovem Teen Challenge Staff Training Course T iTeenChallenge.org.
Portugal – Fraunhofer Gesellschaft Agreement
Genética Molecular em Análises Clinicas
Capacitores Ou, como guardar energia elétrica de forma relativamente simples.
Experiências de Indução.
Meeting 17 Chapter & 6-6.
Towards a Requirement Analysis Approach for Dependable Law-Governed Systems Maíra Gatti, Gustavo Carvalho May 2nd 2006.
Java RMI Alcides Calsavara. Objetivos Permitir que um método de uma classe Java em execução em uma máquina virtual JVM chame um método de um objeto (instância.
Nanoparticles Characterization:
Fundamentos da teoria dos semicondutores Faixas de energia no cristal semicondutor. Estatística de portadores em equilíbrio. Transporte de portadores.
Vetor da rede recíproca.
Aula 02.
GT Processo Eletrônico SG Documentos Eletrônicos Segunda reunião – 28/08/2009 Interlegis.
Iluminação local MC-930 Tópicos em Computação Gráfica Luiz M. G. Gonçalves.
Uniform Resource Identifier (URI). Uniform Resource Identifiers Uniform Resource Identifiers (URI) ou Identificador de Recursos Uniforme provê um meio.
SECEX SECRETARIA DE COMÉRCIO EXTERIOR MINISTÉRIO DO DESENVOLVIMENTO, INDUSTRIA E COMÉRCIO EXTERIOR BRAZILIAN EXPORTS STATISTICAL DEPURATION SYSTEM Presentation.
Genética Molecular em Análises Clinicas
IEEE PES General Meeting, Tampa FL June 24-28, 2007 Conferência Brasileira de Qualidade de Energia Santos, São Paulo, Agosto 5-8, Chapter 3 Harmonic.
OER LIFE CYCLE Andrew Moore and Tessa Welch.
Ecological Economics Lecture 6 Tiago Domingos Assistant Professor Environment and Energy Section Department of Mechanical Engineering Doctoral Program.
Tópicos Especiais em Aprendizagem Reinaldo Bianchi Centro Universitário da FEI 2012.
Linhas gerais In this review, we describe the mechanisms involved in the initiation and development of plant-associated microbial biofilms in general,
SISTEMAS SUSTENTÁVEIS DE ENERGIA Energia Nuclear 2ª Aula 1 NUCLEAR ENERGY Sumário da 2ª aula 1.Estrutura da matéria 2.Reacções Químicas e Reacções Nucleares.
Aula Teórica 6&7 Princípio de Conservação e Teorema de Reynolds.
Seria interessante iniciar uma linha de pesquisa sobre fases geométrica em sistemas de estado sólido?
Definição do MoC Subjacente a Aplicação Prof. Dr. César Augusto Missio Marcon Parcialmente extraído de trabalhos de Axel Jantch, Edward Lee e Alberto Sangiovanni-Vincentelli.
Universidade de Brasília Laboratório de Processamento de Sinais em Arranjos 1 Subspace based Multi-Dimensional Model Order Selection in Colored Noise Scenarios.
Universidade de Brasília Laboratório de Processamento de Sinais em Arranjos 1 Adaptive & Array Signal Processing AASP Prof. Dr.-Ing. João Paulo C. Lustosa.
Lecture 4 Pressure distribution in fluids. Pressure and pressure gradient. Hydrostatic pressure 1.
Lecture 2 Properties of Fluids Units and Dimensions 1.
Metodologia de Desenvolvimento de Software Hermano Moura Alexandre Vasconcelos, André Santos, Augusto Sampaio, Hermano Moura, Paulo.
A KobrA and OCL model for backward state-space search planning and partial order-planning with STRIPS Ana Emília Jairson Vitorino
1-Considerações Básicas Sandro R. Lautenschlager Mecânica dos Fluidos Aula 2.
Rejeição Aguda Gustavo Ferreira Médico-Residente Nefrologia HCFMUSP.
ACELERADORES e Física de Partículas Gaspar Barreira, LIP CERN PTP 2010.
1 © 2005,14 André Luiz V. da Costa e Silva Método CALPHAD Modelos de solução e exemplos em precipitação Andre Luiz V. da Costa e Silva Roberto R Avillez.
Balanço de Forças e de Quantidade de Movimento
Aceitacao Acceptance. Aceita a vida que Deus te deu. Accept the life God gave you.
Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores Investigação e Desenvolvimento em Lisboa Ontology Building Process: The Wine Domain João Graça, Márcio.
Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores Investigação e Desenvolvimento em Lisboa Understanding Epidemic Quorum Systems INESC-ID Lisbon/Technical.
IEEE PES General Meeting, Tampa FL June 24-28, 2007 Conferência Brasileira de Qualidade de Energia Santos, São Paulo, Agosto 5-8, Chapter 5: Harmonic.
Prof. Eng. Alexandre Dezem Bertozzi
Aula Teórica 12 Equação de Bernoulli. Bernoulli’s Equation Let us consider a Stream - pipe such as indicated in the figure and an ideal fluid (without.
Socio-technical approaches for Safety STAMP/STPA
Equação da Continuidade e Equação de Navier-Stokes
Lei de Cotas: Looking at the Implementation of the Brazilian Employment Quota in São Paulo, Brazil Anna C. O’Kelly.
Chapter 2 Harmonics and Interharmonics Theory
RELATÓRIO CEMEC 06 COMPARAÇÕES INTERNACIONAIS Novembro 2013.
Ambrósio et al e-POSTER Enhanced Screening for Refractive Candidates based on Corneal Tomography and Biomechanics Renato Ambrósio Jr., MD, PhD Ruiz Alonso,
Aula Teórica 18 & 19 Adimensionalização. Nº de Reynolds e Nº de Froude. Teorema dos PI’s , Diagrama de Moody, Equação de Bernoulli Generalizada e Coeficientes.
SEVEN DONT'S AFTER A MEAL Evite os sete itens após as refeições.
Equação de Bernoulli e Equação de Conservação da Energia
Faculdade de Ciências Económicas e Empresariais Universidade Católica Portuguesa 17/12/2014Ricardo F Reis 2 nd session: Principal –
MicroRNA signatures in human cancers George A. Calin and Carlo M. Croce Os velhos oncogenes e supressores de tumor As ciclinas/CDKs e seus inibidores ncRNA!
IEEE PES General Meeting, Tampa FL June 24-28, 2007 Conferência Brasileira de Qualidade de Energia Santos, São Paulo, Agosto 5-8, Chapter 8: Procedure.
Fundamentos da teoria dos semicondutores
Limit Equlibrium Method. Limit Equilibrium Method Failure mechanisms are often complex and cannot be modelled by single wedges with plane surfaces. Analysis.
Part I Object of Plasma Physics BACK. I. Object of Plasma Physics 1. Characterization of the Plasma State 2. Plasmas in Nature 3. Plasmas in the Laboratory.
Discussão dos artigos que couberam ao LEO
Equação de Evolução e método do volume-finito.
Three analogies to explain reactive power Why an analogy? Reactive power is an essential aspect of the electricity system, but one that is difficult to.
2º ENCONTRO UAB-UFPA (Polo Barcarena)
Trabalho de conclusão do Curso de Engenharia Quimica
Introduction to Machine learning
Pesquisadores envolvidos Recomenda-se Arial 20 ou Times New Roman 21.
The following are the CSD Responses in relation to the IEEE P802
Transcrição da apresentação:

Modeling Tumor Growth and Angiogenesis The Physics in Biology Modeling Tumor Growth and Angiogenesis Rui Travasso Centro de Física Computacional Universidade de Coimbra

? Mass Number of Particles Physics Today G. Relativity Classical Mech. Material Properties Superconductivity Superfluidity Turbulence Chaos Life Consciousness Social Relations G. Relativity Quantum Mech. Classical Mech. galaxy 1040 black hole 1031 Sun 1030 Earth 1024 Man 100 dust 10-12 DNA 10-21 atoms 10-27 electrons 10-31

Physics in Biology Physics is needed Physical processes entangled with biology Tumor growth Embryonic development Consciousness Interdisciplinary subject Physics Biology Mathematics Chemistry Informatics

Simple Systems Liquid membranes Canham-Helfrish energy Minimization of energy provided surface and volume constant

Curvature Energy Relevant Influence of changing c0 Constant: pearling instability Gradient: tube formation

So? Simple models present rich behavior Biologically relevant Mechanical effects are important in cell behaviour Red blood cells change mechanical properties if patient has malaria Organization of endothelial cells through mechanical adhesion But Insight is important but not sufficient Interdisciplinary study is essential for advance of field

Cancer and Physics Physics important in developing imaging tools for detection and following tumor growth but recently... Physics may be important for understanding tumor growth Physics meets Biology meets Chemistry Mechanical interactions, viscoelastic dynamics, protein diffusion, chemical reactions, gene regulatory networks, population dynamics, evolution Physics World, June 2010

Crescimento de Tumores - Mutações Fase 1: Mutações genéticas Genes que regulam processos essenciais Ciclo celular  Reprodução descontrolada Sistemas de reparação do DNA e de proteínas Perda de mecanismo de morte programada

Crescimento de Tumores - Tecido Fase 2: Interacção com o tecido celular Células cancerígenas inibem células imunitárias Ou recrutam células imunitárias (que recrutam vasos sanguíneos) Sobrevivem em condições adversas (ambiente ácido e baixos níveis de oxigénio) Célula Tumoral Célula do sist. imunitário

Crescimento de Tumores - Caderinas Fase 3: “Cadherin switch” Células interagem com vizinhas através de proteínas da membrana Caderinas Mutação deste mecanismo pode levar a altas taxas de proliferação mesmo quando densidade celular alta.

Crescimento de Tumores - Esferóides Fase 4: Células cancerígenas ganham forma: Esferóide Difusão macroscópica de células Formação de zonas necróticas Tumor com diâmetro 1-2 mm Zona Necrótica Reprodução Descontrolada Células Saudáveis Necroticas Quiescentes Proliferativas Alta Pressão

Crescimento de Tumores - Angiogénese Tumor necessita nutrientes para crescer Busca activa de nutrientes Fase 5: “Angiogenic switch” Segregação de proteínas que promovem formação de novos vasos sanguíneos Rede vascular aberrante M. D. Anderson Cancer Center, Univ. of Texas

Crescimento de Tumores - Metástase Fase 6: Metástase Células cancerígenas entram na circulação sanguínea Invasão de regiões saudáveis Pulmão Fígado

Alguns Tópicos sobre Tumores Reprodução desregulada de células cancerínenas Grande diversidade de material genético das células Maior adaptabilidade Tumor vive num ambiente que lhe é extremamente hostil A destruição do hospitaleiro é uma vitória da adaptação. Infelizmente isso significa a morte do tumor também Vasos saguíneos frágeis O tumor sangra Angiogénesis contínua O tumor é uma ferida que não sara

Understanding Tumors Through Modeling Effect of pressure inside tumors in affecting circulation Vessel collapse Tumor surface instabilities as a function of limitations in transport of nutrients May lead to phenotypic alterations Balance between cell-cell adhesion and nutrient delivery Tumor adaptability and tumor stem cells Guide treatment Use of modeling as a tool for predicting patient-specific evolution and treatment of tumors

Tumor Modeling Many models Review article: Nonlinearity, 23, R1 (2010) 578 references Each paper introduces different model for a specific application Classification of models Discrete: Cellular automata, Agent based, ... Continuous: Multiphase, Interface focused, ...

Shirinifard et al, PLoS One, 4, e7190 Discrete Models Focus on individual cells Mutations Contact forces Cell division Movement and growth Gene regulatory networks Advantage Some parameters may be obtained from single cell experiments Limitations Challenging to simulate millions of cells Large number of parameters (which ones are controlling factors?) Shirinifard et al, PLoS One, 4, e7190

Preziosi et al, J.Math.Biol., 58, 625 Continuous Models Interface focused Map tumor surface behavior to existing interface models In general do not include biological details Multiphase modeling From mixture theory Consider different components Conservation laws (mass, momentum) Constitutive relations specific for each component Thermodynamic consistency Possibility of including biological processes Fewer parameters than discrete methods Preziosi et al, J.Math.Biol., 58, 625

Phase-Field Models = 1 = -1 Approach to moving boundary problems Phases associated with value of f Interface implies  = 0 Diffuse interface Original problem obtained when e → 0 Dynamics of f Can be derived from a free energy F[,] Non-conserved order parameter: Allen-Cahn equation Conserved order parameter: Cahn-Hilliard equation Phase 1 Phase 2 = -1 = 1  f  1 -1

Travasso, Castro, Oliveira, Phil. Mag. (2011) Examples  Canham-Helfrisch energy  Dendritic growth  Phase separation of elastic phases  Phase-field model in tumor growth Travasso, Castro, Oliveira, Phil. Mag. (2011)

Example of Multiphase and Phase-Field A multiphase model Cristini et al, J.Math.Biol., 58, 723 (2009) Mass balance for each component Momentum conservation Constitutive Relations Incompressibility

Example of Multiphase and Phase-Field Formation of ramified structures More dramatic at low proliferation rate Fingering occurs at zero chemotaxis Instability driven by non-linear mobility Cristini et al, J.Math.Biol., 58, 723 (2009)

Therefore... Phase-Field is focused at the interface Link between phase-field and multiphase Further reduction of parameters Variability of existing phase-field models lead to possibility of direct application in tumor growth Able to answer questions on the evolution of tumor size BUT... Do not include competing populations of tumor cells or mutations Hybrid models are a possible solution

Tumor Growth - Competition - Evolution Deregulated proliferation Mutations Darwin selection Metabolism and migration Anaerobic matabolism 2 ATP instead of 36 No need of Oxygen Produces acid Helps migration Prevailing phenotype Acid resistant Acid Gerlee, Anderson, J Theor Biol 2007

Tumor Growth - Angiogenesis Switch - Vascular Phase The tumor promotes the development of nearby vessels to have oxygen Challenging simulations Many parameters Cell based Continuous Hybrid Chaplain et al, Annu Rev Biomed Eng 2006 MackLin et al, J Math Biol 2009

Angiogenesis Sprouting of new blood vessels from existing ones Relevant in varied situations Morphogenesis Inflammation Wound healing Neoplasms Diabetic Retinopathy For tumors Altered vessel network Dense, no hierarchical structure Capillaries are fragile, permeable, with variable diameter Capillary network carries both nutrients and drugs Gerhardt et al, Cell (2003) Lee et al, Cell (2007)

Phase-field Component Two types of cells Tip cells are special Have filopodia Follow gradients of VEGF Produce MMPs which degrade ECM Construct path Do not proliferate Stalk cells Proliferation regulated by VEGF Not diggers Follow tip cell created pathway Gerhardt et al, Cell (2003) Agent Based Component Gerhardt et al, Cell (2003) Phase-field Component

Angiogenesis in a Nutshell Capillaries are constituted by Endothelial cells Pericites, muscle cells Endothelial cells Pericites, smooth muscle cells… VEGF  VEGF weakens capillary wall  Endothelial cells may divide  Cells follow VEGF gradient  The first cell is activated and opens way in ECM Meyer et al, Am.J.Path. (1997)  Cells organize to form lumen  Blood flows when capillaries form loops  Blood reorganizes network

The penetration length of The Model Two equations Diffusion: concentration of VEGF, T Phase-Field: order parameter dynamics Tip cell Characteristic radius Rc Perfect Notch signaling Introduced when T > Tc Velocity:  regulates the proliferation and D the chemotaxis The penetration length of T inside the capillary is given by D  = 1 inside capillary  = -1 outside capillary Ginzburg-Landau free energy Chemical potential Cahn-Hilliard dynamics Surface tension driven, bulk material conservation T

Simulation Starting configuration Capillary close to tissue in hypoxia Concentration of VEGF at hypoxic cells constant Capillary Cells in hypoxia  Blood vessel network emerge 

Proliferation Higher proliferation rate leads to thicker and ramified vessels Low Proliferation High Proliferation

Chemotaxis Response Higher tip cell velocity leads to thinner and more ramified vessels Low Chemotaxis High Chemotaxis

VEGF Prodution Higher production of VEGF leads to more vessels but not thicker vessels Low VEGF High VEGF Gerhardt et al., Develop. Biol. (2003)

Matrix Metalloproteinase MMPs implementation: Heavy VEGF isoforms get bound to matrix if cMMP high cMMP high in a radius RMMP of tumor cell Diffusion in function of Th Formation of thick vessels Thin vessel merging MMP-9 Inhibition Th D high cMMP low cMMP MMP-9 Overexpressed Rodriguez-Manzaneque et al, PNAS (2001)

Insight is important but not sufficient Taxa de proliferação Dependente do meio (VEGF, Ang-2)? Como? Propriedades dos tecidos Tecido como meio viscoelástico Permeabilidade e elasticidade dos vasos Metabolismo das células Possibilidade de respiração anaeróbia? Em que circunstâncias? Influencia do meio ácido na viabilidade das células Transporte de proteínas Reacções químicas As células tumorais são de diferentes tipos Dinâmica de populações Evolução

Interdisciplinaridade A Física poderá ajudar, mas como um elemento de um esforço interdisciplinar Integração de técnicas e métodos de diferentes disciplinas Simulação Morfogénese Tumores Pólipos Retinopatia Lab in vitro Lab in vivo Dados Clínicos medição exp. de parâmetros novas hipóteses e experiências previsões de crescimento vascular termos relevantes in vivo acompanhamento clínico individualizado observações clínicas

Conclusion Physics required to tackle problems in Biology New insights High Pressure Conclusion Physics required to tackle problems in Biology New insights New therapies Interdisciplinary context Modeling tumor growth Variety of modeling techniques Hybrid models are able to integrate in a continuous description cell based processes essential in tumor growth and angiogenesis Hybrid model for angiogenesis with phase-field component Proliferation rate and matrix dependent tip cell velocity regulate capillary network morphology High production VEGF levels lead to increased vessel density Bio-avaibility of VEGF determines network Gerhardt et al, Cell (2003)

A Pretty One