[논문 리뷰] Ferroptosis as a Biological Phase Transition I: avascular and vascular tumor growth

J.M. Nieto‐Villar, Ricardo Mansilla|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 26.

Mathematical Biology Tumor Growth참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비혈관성 및 혈관성 종양 성장에서 페로포토시스를 초순수한 생물학적 상전이로 프레임워크화하며, 한계 주기 역학을 설명하기 위해 초임계 안드로노프-홉프 분기 이론을 사용한다. 주요 발견은 산화된 다중불포화지방산(PUFA) 조각을 제어 매개변수로 증가시킬 경우, 실리니코프 분기와 함께 역피게나우 연속체가 발생하여 시스템이 안정화되고 역동적 복잡성이 감소한다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비혈관성 및 혈관성 종양 성장에서 페로포토시스를 생물학적 상전이로 모델링하기.
• 다양한 생물학적 매개변수 하에서 페로포토시스 역학이 혼돈에서 안정된 행동으로 전이되는 방식을 조사하기.
• 산화된 PUFA 조각이 분기 전이를 이끄는 제어 매개변수로서의 역할을 탐구하기.
• 종양 세포 집단에서 한계 주기의 발생과 실리니코프 분기를 통한 안정화를 분석하기.
• 페로포토시스와 암 진행에서의 비선형 역학 시스템 간 이론적 프레임워크 수립하기.

제안 방법

• 비혈관성 및 혈관성 종양 미세환경에서 페로포토시스의 네트워크 모델을 수립한다.
• 특히 초임계 안드로노프-홉프 분기를 활용하여 한계 주기의 발생을 모델링하기 위해 비선형 역학 프레임워크를 적용한다.
• 시스템의 주요 제어 매개변수로 산화된 다중불포화지방산(PUFA) 조각을 사용한다.
• 안정성의 원인으로서의 역피게나우 시나리오 분석을 통해, 안정성의 원인이 되는 안정성의 중심이 있는 실리니코프 분기의 연속체를 분석한다.
• 제어 매개변수가 증가함에 따라 혼돈적인 동역학에서 안정된 진동으로의 전이를 모델링한다.
• 분기 이론과 역학 시스템 분석을 활용하여 페로포토시스에서의 상전이를 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 종양 성장에서 페로포토시스는 어떻게 생물학적 상전이로 나타나는가?
• RQ2 페로포토틱 종양 세포 집단에서 혼돈적인 행동에서 안정된 행동으로의 전이를 뒷받침하는 역동적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 산화된 PUFA 조각의 농도는 페로포토시스에서 한계 주기의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 실리니코프 분기는 페로포토시스 역학의 안정화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 역피게나우 시나리오는 페로포토시스 동안 역동적 복잡성 감소를 어떻게 설명하는가?

주요 결과

• 종양 성장에서의 페로포토시스는 초임계 안드로노프-홉프 분기를 통해 유도되는 제1종 상전이로 특징지어진다.
• 안정적인 한계 주기의 발생은 페로포토틱 세포 집단에서 주기적 진동을 나타낸다.
• 안정성의 원인으로서의 안정성 중심이 있는 실리니코프 분기의 역피게나우 연속체가 시스템 안정화의 메커니즘으로 확인된다.
• 산화된 PUFA 조각을 제어 매개변수로 증가시키면 역동적 복잡성이 감소한다.
• 제어 매개변수가 증가함에 따라 연속적인 분기들을 통해 혼돈적인 행동에서 안정된 주기적 동역학으로의 전이가 발생한다.
• 모델은 페로포토시스가 암 진행에서 조절되는 비선형 역학적 과정임을 이해하기 위한 이론적 기초를 제공한다.