[논문 리뷰] Epidermal homeostasis control in an off-lattice agent-based model

Gernot Schaller, Michael Meyer‐Hermann외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 07. 07.

Mathematical Biology Tumor Growth참고 문헌 60인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 힘 기반 세포 역학과 가중치가 부여된 데라운이 삼각형 분할을 사용한 떨어진 격자 기반 에이전트 기반 모델을 개발하여 피부 표피의 균형을 시뮬레이션한다. 이는 확산 가능한 신호인 국소 수분 농도가 세포 주기 조절자로 작용하고, 반응-확산을 통한 영양소 동역학이 함께 작용할 경우 안정된 표피 유동의 핵심 특징을 재현할 수 있음을 보여주며, 특정 생리적 조건 하에서 확률적 요동이 멜라노마 지속성에 크게 영향을 준다는 점을 밝혀낸다.

ABSTRACT

We apply an improved version of a previously introduced off-lattice agent-based model to the steady-state flow equilibrium of skin. The dynamics of cells is determined by conservative and drag forces, supplemented with delta-correlated random forces. Cellular adjacency is detected by a weighted Delaunay triangulation. We analyze a simple control mechanism: The cell cycle time of keratinocytes is controlled by a diffusible substance provided by the dermis, in particular we consider the local water concentration. This concentration is calculated from a diffusion equation with time-dependent boundary conditions and varying diffusion coefficients. It turns out that this simple control mechanism suffices to explain several characteristics of epidermal growth. The dynamics of a nutrient is also taken into account by a reaction-diffusion equation. In addition, we ask the simple question of how melanoma with decreased basal adhesion manage to persist within the steady-state flow-equilibrium of the skin. It turns out that there exist physiological parameter sets, where stochastic effects have important consequences.

연구 동기 및 목표

• 실제 세포 역학을 반영한 개선된 떨어진 격자 기반 에이전트 기반 접근법을 사용하여 표피의 균형을 모델링한다.
• 국소 수분 농도와 같은 확산 가능한 신호가 키라티노사이트의 증식을 어떻게 조절하고 조직의 안정 상태를 유지하는지 조사한다.
• 반응-확산 프레임워크를 통해 영양소 동역학이 표피 조직 안정성에 어떤 역할을 하는지 조사한다.
• 접착력이 감소한 멜라노마 세포가 표피의 안정 상태에서의 유동 평형에 어떻게 지속될 수 있는지 탐구한다.

제안 방법

• 세포 역학은 보존력, 저항력, 델타 상관성이 있는 랜덤 힘에 의해 제어되어 기계적 및 확률적 행동을 시뮬레이션한다.
• 세포 간 이웃 관계는 동적인 조직 구조를 포착하기 위해 가중치가 부여된 데라운이 삼각형 분할을 통해 결정된다.
• 세포 주기 진행은 국소 수분 농도라는 확산 물질에 의해 제어되며, 시간에 따라 변하는 경계 조건을 갖는 확산 방정식으로 모델링된다.
• 수분 농도 방정식의 확산 계수들은 공간적·시간적으로 변화하여 생물학적 이질성을 반영한다.
• 영양소 동역학은 표피 내 대사 지원을 시뮬레이션하기 위해 반응-확산 방정식으로 모델링된다.
• 모델은 확률적 효과를 통합하여 안정된 조직 환경에서 멜라노마 세포 생존에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 수분 농도와 같은 확산 가능한 신호만으로도 세포 주기 시간 조절을 통해 표피의 균형을 달성할 수 있는가?
• RQ2 확산 계수의 변화와 시간에 따라 변하는 경계 조건이 조절 신호의 공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반응-확산을 통해 모델링된 영양소 가용성이 조직 안정유지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 어떤 생리적 매개변수 조합에서 확률적 변동성이 표피 유동 평형 상태에서 지속적인 멜라노마 세포 생존을 가능하게 하는가?
• RQ5 멜라노마 세포의 기저 접착력 감소가 역동적으로 균형 잡힌 표피 조직에서 지속 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 국소 수분 농도만을 확산 조절자로 사용하여 안정된 표피 유동 평형 상태를 성공적으로 재현하였다.
• 확산 계수의 변동성과 시간에 따라 변하는 경계 조건은 생물학적으로 타당한 조절 신호의 공간 기울기를 유도한다.
• 반응-확산을 통한 영양소 동역학 통합은 시뮬레이션된 조직의 생물학적 현실성과 안정성을 향상시킨다.
• 확률적 효과는 특히 특정 생리적 매개변수 영역에서 멜라노마 세포의 지속성에 크게 영향을 준다.
• 기계적 및 신호 매개변수 값이 생리적 범위 내에 있을 경우, 기저 접착력이 감소한 멜라노마 세포는 확률적 변동성 덕분에 안정된 유동 평형 상태에서 지속될 수 있다.