[论文解读] Comparing System Dynamics and Agent-Based Simulation for Tumour Growth and its Interactions with Effector Cells

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

Mathematical Biology Tumor Growth参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文比较了系统动力学模拟（SDS）与基于代理的模拟（ABS）在模拟肿瘤-免疫细胞相互作用中的应用，采用了一种结合肿瘤生长与效应T细胞动力学的混合模型。结果表明，尽管SDS在均质系统中计算效率较高，但当代理间相互作用与空间动力学至关重要时，ABS不可或缺，揭示了复杂免疫反应中两者不可互换的行为特征。

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.

研究动机与目标

• 评估在模拟肿瘤细胞与效应免疫细胞相互作用时，系统动力学模拟（SDS）是否仍优于基于代理的模拟（ABS）。
• 识别SDS与ABS产生显著差异结果的条件，挑战其可互换性的假设。
• 建立决策框架，用于在免疫系统相关模拟问题中选择SDS与ABS。
• 将先前针对非相互作用代理系统的SDS与ABS比较研究，拓展至更复杂、交互丰富的生物学场景。
• 评估免疫系统模拟中计算效率与建模保真度之间的权衡。

提出的方法

• 开发系统动力学模型，利用微分方程模拟肿瘤生长与免疫效应细胞的群体水平动力学。
• 构建等效的基于代理模型，以显式行为、规则和空间交互方式模拟单个肿瘤细胞与效应细胞。
• 使用免疫学文献中生物学上合理的参数校准两种模型。
• 在相同初始条件与参数集下进行对比实验，评估模型输出。
• 分析模拟结果的一致性、计算成本以及对代理相互作用的敏感性。
• 采用统计与可视化比较技术，评估时间动态与涌现行为的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在模拟肿瘤-免疫细胞相互作用时，系统动力学模拟（SDS）能否准确复现基于代理的模拟（ABS）所观察到的动力学？
• RQ2 在何种条件下，SDS与ABS在免疫系统模拟中产生显著不同的结果？
• RQ3 当代理相互作用与空间异质性至关重要时，SDS的计算效率是否足够？
• RQ4 在涉及细胞-细胞相互作用的复杂生物系统中，SDS在多大程度上可与ABS互换使用？
• RQ5 应依据何种标准指导免疫系统模拟问题中SDS与ABS的选择？

主要发现

• 当引入肿瘤细胞与效应细胞之间的相互作用时，SDS与ABS产生显著不同的结果，表明二者不可互换。
• ABS捕捉到了涌现的空间与行为动力学，如免疫细胞靶向与肿瘤逃逸，而SDS未能体现这些特征。
• SDS计算效率更高，但缺乏建模复杂免疫反应机制所必需的粒度。
• 代理相互作用的存在显著改变了系统行为，使得在某些情景下ABS成为准确表征的必要条件。
• 当个体代理行为与局部相互作用驱动系统层面结果时，SDS被证明不足以建模此类情景。
• 本研究结论认为，SDS与ABS的选择应基于代理相互作用的存在与重要性，而非单纯计算成本。