[論文レビュー] Ferroptosis as a Biological Phase Transition I: avascular and vascular tumor growth

J.M. Nieto‐Villar, Ricardo Mansilla|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2021

Mathematical Biology Tumor Growth参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、無血管および血管性腫瘍成長におけるフェロプトーシスを、1次相転移としてネットワークモデルで提示し、限界周期のダイナミクスを説明するために、超臨界アンドロノフ＝ホプフ分岐を用いる。主な発見は、制御パラメータとしての酸化型ポリ不飽和脂肪酸（PUFA）断片の増加が、シルニコフ分岐を伴う逆フェイゲンバックのシナリオを引き起こし、系を安定化させ、ダイナミカルな複雑性を低減することである。

ABSTRACT

Herewith we discuss a network model of the ferroptosis avascular and vascular tumor growth based on our previous proposed framework. Chiefly, ferroptosis should be viewed as a first order phase transition characterized by a supercritical Andronov Hopf bifurcation, with the emergence of limit cycle. The increase of the population of the oxidized PUFA fragments, take as the control parameter, involves an inverse Feigenbaum, (a cascade of saddle foci Shilnikov's bifurcations) scenario, which results in the stabilization of the dynamics and in a decrease of complexity.

研究の動機と目的

• 無血管および血管性腫瘍成長におけるフェロプトーシスを生物学的相転移としてモデル化すること。
• さまざまな生物学的パラメータの下で、フェロプトーシスダイナミクスが混沌とした挙動から安定した挙動へとどのように変化するかを調査すること。
• 酸化型PUFA断片が分岐遷移を引き起こす制御パラメータとして果たす役割を調査すること。
• 腫瘍細胞集団における限界周期の出現と、シルニコフ分岐による安定化を分析すること。
• フェロプトーシスとがん進行における非線形力学系の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 無血管および血管性腫瘍微小環境におけるフェロプトーシスのネットワークモデルを構築する。
• 特に超臨界アンドロノフ＝ホプフ分岐を用いて、限界周期の出現をモデル化する非線形力学の枠組みを適用する。
• 酸化型多価不飽和脂肪酸（PUFA）断片を、システムの主な制御パラメータとして用いる。
• 鞍-焦点型シルニコフ分岐を伴う逆フェイゲンバックシナリオを分析する。
• 制御パラメータの増加に伴い、混沌としたダイナミクスから安定した周期的挙動への遷移をモデル化する。
• 分岐理論および力学系解析を用いて、フェロプトーシスにおける相転移を特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 腫瘍成長におけるフェロプトーシスは、どのように生物学的相転移として現れるか？
• RQ2 フェロプトーシス腫瘍細胞集団において、混沌とした挙動から安定した挙動への遷移を規定するダイナミカルなメカニズムは何か？
• RQ3 酸化型PUFA断片の濃度が、フェロプトーシスにおける限界周期の出現にどのように影響するか？
• RQ4 シルニコフ分岐は、フェロプトーシスダイナミクスの安定化にどのような役割を果たすか？
• RQ5 逆フェイゲンバックシナリオは、フェロプトーシスの過程でダイナミカルな複雑性がどのように低減されるかをどのように説明するか？

主な発見

• 腫瘍成長におけるフェロプトーシスは、超臨界アンドロノフ＝ホプフ分岐によって駆動される1次相転移として特徴づけられる。
• 安定した限界周期の出現は、フェロプトーシス細胞集団における周期的振動を示している。
• 鞍-焦点型シルニコフ分岐の逆フェイゲンバック級列が、系の安定化のメカニズムとして同定された。
• 酸化型PUFA断片を制御パラメータとして増加させることで、ダイナミカルな複雑性が低減する。
• 系は、連続する分岐を経て、混沌とした挙動から安定した周期的挙動へと遷移する。
• 本モデルは、がん進行におけるフェロプトーシスが制御された非線形力学的プロセスとして理解される理論的根拠を提供する。