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Previous issue date: 2016-04-13 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Cancer is a huge world health problem, what is expanding researches on a wide variety of subjects associated with its onset, evolution and treatment.
In this work, we perfom a detailed study on the tumor growth mechanisms in order to build a model to describe the evolution of tumors at different scales.
We develop a multiscale hybrid model for the avascular tumor growth which integrates phenomena that occur at two scales, the cellular and tissue scales. The cellular scale is described through an agent based model, allowing to deal with each cell individually and to describe the cell behavior in the microenvironment. We represent the nutrient transport in the microenvironment at the tissue scale through a reaction-diffusion partial differential equation. The oxygen is considered the only source of nutrients and its uptake rate plays the role of the bridge between scales. The model encompasses tumor and normal cells, but the latter are kept in homeostasis. Phenotypic states differentiate tumor cells (quiescent, proliferative, apoptotic, hypoxic and necrotic), which may change in accordance with microenvironment conditions. The tumor growth dynamics is ruled by phenotypic transitions, which are mainly deterministic. However, the transitions from quiescent to proliferative and apoptotic states are stochastic. Each cell movement is driven by the force balance among cells, according to Newton's second law.
By including normal cells, the tumor growth strongly depends on the mechanical interactions in the microenvironment. To describe these effects, we develop a model to represent the compressive stress accumulation within the growing tumor, which acts by inhibiting further cell proliferation. Computational simulations are conducted to demonstrate that the developed model can adequately describe the complex mechanisms of tumor dynamics, including growth arrest in avascular tumors. / O câncer é um enorme problema de saúde global, o que vem impulsionando pesquisas nas mais diversas áreas associadas ao seu surgimento, evolução e terapias.
Neste trabalho realizamos um estudo minucioso acerca do crescimento tumoral a fim de construir um modelo que descreve o crescimento tumoral em diversas escalas.
Desenvolvemos um modelo multiescala híbrido para o crescimento tumoral avascular que integra fenômenos que ocorrem em duas escalas, uma escala a nível celular e outra a nível de tecido. A escala celular é descrita através de um modelo baseado em agentes, que possibilita tratar cada célula individualmente e descrever seu comportamento no microambiente. Na escala do tecido representamos a dispersão de nutrientes no meio através de uma equação diferencial parcial de reação-difusão. Consideramos o oxigênio como a única fonte de nutrientes e seu consumo é o mecanismo através do qual o acoplamento entre as escalas é realizado. Consideramos que cada célula no modelo pode ser tumoral ou normal, sendo as células normais mantidas em homeostase. As células tumorais são diferenciadas pelos estados fenotípicos (quiescente, proliferativa, apoptótica, hipóxica e necrótica), que podem ser alterados em função das condições do meio. A dinâmica do crescimento tumoral é regida pelas transições entre estados fenotípicos, as quais, em sua maioria, são consideradas eventos determinísticos. Entretanto, as transições do estado quiescente para o proliferativo e para o apoptótico são assumidas como estocásticas. O movimento de cada célula no meio é determinado por um balanço de forças atuantes nas células, de acordo com a segunda lei de Newton.
Com a inclusão de células normais, o crescimento do tumor é fortemente influenciado pelas interações mecânicas no microambiente. Para descrever estes efeitos, desenvolvemos um modelo para representar o acúmulo das tensões de compressão no interior do tumor à medida que o tumor cresce, o qual atua inibindo a probabilidade de proliferação das células tumorais. As simulações realizadas demonstram que o modelo desenvolvido consegue representar qualitativamente a dinâmica de tumores em um microambiente genérico e a estagnação do crescimento típica de tumores avasculares.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede-server.lncc.br:tede/236 |
| Date | 13 April 2016 |
| Creators | Rocha, Heber Lima da |
| Contributors | Almeida, Regina Célia Cerqueira de, Lima, Ernesto Augusto Bueno da Fonseca, Costa, Michel Iskin da Silveira, Mancera, Paulo Fernando de Arruma |
| Publisher | Laboratório Nacional de Computação Científica, Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, LNCC, Brasil, Serviço de Análise e Apoio a Formação de Recursos Humanos |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC, instname:Laboratório Nacional de Computação Científica, instacron:LNCC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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