[논문 리뷰] Comparing System Dynamics and Agent-Based Simulation for Tumour Growth and its Interactions with Effector Cells

Grazziela P. Figueredo, Uwe Aickelin|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 16.

Mathematical Biology Tumor Growth참고 문헌 5인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 종양-면역세포 상호작용을 모델링하기 위해 시스템 동역학 시뮬레이션(SDS)과 에이전트기반 시뮬레이션(ABS)을 비교하며, 종양 성장과 효과성 T세포 역학의 하이브리드 모델을 사용한다. 결과적으로, 균질적인 시스템에서는 SDS가 계산적으로 효율적이지만, 에이전트 상호작용과 공간 역학이 핵심일 경우 ABS가 필수적임을 보여주며, 복잡한 면역 반응에서 상호교환 가능하지 않은 행동 양식이 드러난다.

ABSTRACT

There is little research concerning comparisons and combination of System Dynamics Simulation (SDS) and Agent Based Simulation (ABS). ABS is a paradigm used in many levels of abstraction, including those levels covered by SDS. We believe that the establishment of frameworks for the choice between these two simulation approaches would contribute to the simulation research. Hence, our work aims for the establishment of directions for the choice between SDS and ABS approaches for immune system-related problems. Previously, we compared the use of ABS and SDS for modelling agents' behaviour in an environment with nomovement or interactions between these agents. We concluded that for these types of agents it is preferable to use SDS, as it takes up less computational resources and produces the same results as those obtained by the ABS model. In order to move this research forward, our next research question is: if we introduce interactions between these agents will SDS still be the most appropriate paradigm to be used? To answer this question for immune system simulation problems, we will use, as case studies, models involving interactions between tumour cells and immune effector cells. Experiments show that there are cases where SDS and ABS can not be used interchangeably, and therefore, their comparison is not straightforward.

연구 동기 및 목표

• 종양세포와 효과성 면역세포 간의 상호작용을 모델링할 때 시스템 동역학 시뮬레이션(SDS)이 에이전트기반 시뮬레이션(ABS)보다 바람직한지 평가하기.
• SDS와 ABS가 상이한 결과를 낳는 조건을 규명하여 상호교환 가능하다는 가정에 도전하기.
• 면역계 관련 시뮬레이션 문제에서 SDS와 ABS 간 선택을 위한 의사결정 프레임워크 수립하기.
• 비상호작용 에이전트 시스템에서 SDS와 ABS를 비교한 이전 연구를 더 복잡하고 상호작용이 풍부한 생물학적 상황으로 확장하기.
• 면역계 시뮬레이션에서 계산 효율성과 모델 정확도 간의 상충 관계 평가하기.

제안 방법

• 모델의 인구 수준 역학을 위한 미분방정식을 사용하여 종양 성장과 면역 효과세포 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 시스템 동역학 모델 개발.
• 개별 종양세포와 효과세포를 명시적 행동, 규칙, 공간 상호작용을 포함하여 시뮬레이션하기 위한 동일한 에이전트기반 모델 구축.
• 면역학적 문헌에서 유래한 생물학적으로 타당한 매개변수를 사용하여 두 모델 校정.
• 동일한 초기 조건과 매개변수 조합에서 비교 실험을 수행하여 모델 출력 평가.
• 에이전트 상호작용에 대한 민감도, 계산 비용, 일관성 등을 분석하여 시뮬레이션 결과 분석.
• 통계적 및 시각적 비교 기법을 사용하여 시간적 역학과 부상하는 행동 양식의 차이 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에이전트기반 시뮬레이션(ABS)에서 관찰된 역학을 시스템 동역학 시뮬레이션(SDS)이 종양-면역세포 상호작용을 모델링할 때 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ2 면역계 모델링에서 SDS와 ABS가 유의미하게 다른 결과를 낳는 조건은 무엇인가?
• RQ3 에이전트 상호작용과 공간 이질성이 핵심일 경우 SDS의 계산 효율성이 충분한가?
• RQ4 세포-세포 상호작용이 포함된 복잡한 생물학적 시스템에서 SDS를 ABS와 상호교환 가능하게 사용할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 면역계 시뮬레이션 문제에서 SDS와 ABS 간 선택을 이끌기 위한 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 종양세포와 효과세포 간의 상호작용이 도입된 이후 SDS와 ABS는 상이한 결과를 낳았으며, 이는 두 모델이 상호교환 가능하지 않음을 시사한다.
• ABS는 SDS가 표현하지 못한, 면역세포의 표적 공격 및 종양 회피와 같은 잠재적 공간적 및 행동적 역학을 포착했다.
• SDS는 계산적으로 더 효율적이지만, 복잡한 면역 반응 메커니즘을 모델링하기에 필요한 세밀한 해상도를 갖추지 못했다.
• 에이전트 상호작용의 존재는 시스템 행동을 크게 변화시켜, 특정 시나리오에서는 정확한 표현을 위해 ABS가 필수적이었다.
• 개별 에이전트 행동과 국소적 상호작용이 시스템 수준 결과를 이끄는 시나리오에서는 SDS가 부적절하다는 것이 밝혀졌다.
• 본 연구는 SDS와 ABS 간 선택은 계산 비용이 아닌 에이전트 상호작용의 유무와 중요성을 기반으로 해야 한다고 결론 내린다.