Krooninen sairaus

tiivistelmä

Kasvain on ominaista laaja heterogeenisyys suhteessa sen mikroympäristölle ja sen geneettinen koostumus. Me laajentaa aiemmin kehitetty monoklonaalinen jatkuva tilamalli kasvaimen kasvun huomioon polyklonaalinen solupopulaatioiden ja tutkia vuorovaikutusta entistä proliferatiivista ja invasiivisia fenotyyppi eri olosuhteissa. Malli simulaatiot osoittavat siirtyminen ylivoima proliferatiivisen ylivoima invasiivisen fenotyypin muistuttava pahanlaatuinen kasvain etenemistä ja näyttää ajanjaksona, kun molemmat osapopulaatioiden ovat runsaat. Koska hallitseva fenotyyppi siirtyy proliferatiivisen invasiivisia, geometria kasvain muuttuu kompakti ja lähes pallomainen muoto on diffusiivisempi ja sormeili morfologia kanssa proliferatiivinen fenotyyppi rajoitettava kasvaimen suurin ja invasiivisia hallitsevan kasvain reunoilla. Eri mikro-ympäristöolosuhteissa ja erilaiset fenotyyppiset ominaisuudet voidaan edistää tai estää hyökkäyksen osoittavat keskinäistä merkitystä. Malli tarjoaa laskennallinen puitteet tutkia kasvain heterogeenisuus ja jatkuva vuorovaikutus ympäristön ja erityispiirteisiin fenotyyppejä, jotka olisi otettava huomioon ennustamiseen kasvaimen kehittymisen, morfologia ja tehokasta hoitoa.

Citation: Tzamali E, Grekas G, Marias K, Sakkalis V (2014) Exploring välinen kilpailu Proliferative ja kohdunkaulan syöpä Fenotyypit jatkuvassa Spatial Model. PLoS ONE 9 (8): e103191. doi: 10,1371 /journal.pone.0103191

Editor: Dominik Wodarz, University of California Irvine, Yhdysvallat

vastaanotettu: 31 tammikuu 2014; Hyväksytty: 27 Kesäkuu 2014; Julkaistu: 06 elokuu 2014

Copyright: © 2014 Tzamali et al. Tämä on avoin pääsy artikkeli jaettu ehdoilla Creative Commons Nimeä lisenssi, joka sallii rajoittamattoman käytön, jakelun ja lisääntymiselle millä tahansa välineellä edellyttäen, että alkuperäinen kirjoittaja ja lähde hyvitetään.

Rahoitus: Tämä työ tuettiin osittain Euroopan komissio on transatlanttisen Kasvainmalli Repositories – kasvain (FP7-ICT-2009.5.4-247754) ja laskennallisen Horizons in Cancer – CHIC (FP7-ICT-2011.5.2-600841) projekteja. Rahoittajat ollut mitään roolia tutkimuksen suunnittelu, tiedonkeruu ja analyysi, päätös julkaista tai valmistamista käsikirjoituksen.

Kilpailevat edut: Kirjoittajat ovat ilmoittaneet, etteivät ole kilpailevia intressejä ole.

Johdanto

kasvain on ominaista laaja heterogeenisyys suhteessa sen mikroympäristölle ja sen geneettinen koostumus että kaikki tärkeä rooli syövän etenemiseen, morfologia, lääkeresistenssin ja tehokas hoito [1] – [4]. Erityisesti sisällä kasvain, hyvin vascularized alueet tarjoavat riittävästi ravintoaineita syöpäsolujen rinnalla ravinteiden rajoitettu alueille. Lisäksi, että on olemassa paljon todisteita, jotka tukevat sisäistä kasvaimen geneettistä ja toiminnallista heterogeenisuus monissa syöpätyypeissä [5], [6]. Glioomissa, esimerkiksi yleisin aivokasvaimia, differentiaalisesti ilmentyvien geenien on tunnistettu hyökkääviä vanteen ja kasvaimen ytimessä ja nämä erot ovat fenotyyppisesti kartoitetaan kahteen erilliseen osa-klooneja, proliferatiivinen soluja ytimessä ja muuttavien, invasiivisia soluja vanteen [7], [8]. Äskettäin integroidun genomisen analyysin [9] on myös paljastanut laajan sisäisen kasvaimen heterogeenisyys glioblastomas at genotyyppi, fenotyyppi ja molekulaarisen kehittymisen taso samassa kasvain ja osoitti, että spatiaalisesti erillistä kasvainnäytteestä näyttää eri glioblastoma alatyyppejä. Sisäisen kasvaimen fenotyypin heterogeenisuus on pääosin johtuvan lisääntyneestä epigeneettisiä alternations sekä mutaatioiden koko kasvaimen kehittymisen. Lisäksi se on myös ehdotettu, että ensisijainen kasvaimia voi jo koostua geneettisesti heterogeeninen populaatioiden syöpäsolujen mahtuu jopa erittäin aggressiivinen ja metastaattinen fenotyypit niiden alkuperästä [10]. Nämä eri syöpä populaatiot ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa keskenään ja niiden mikroympäristön kilpailevat tilaa, resursseja ja muista tekijöistä. Niiden välinen vuorovaikutus muovaavat microenvironment, joka puolestaan ​​toimii selektiivinen voimassa klonaalinen syntymistä ja kehittymistä.

Useat matemaattisia malleja on esitetty kuvaamaan monimutkaisia, spatiotemporal evoluutio kasvaimista [11], [12]. Joukossa, diskreetti ja hybridi diskreetti-jatkuva matemaattisia malleja voidaan sisällyttää erilaisia ​​fenotyyppejä, yhteys genotyyppien kanssa fenotyyppien ja kuvaavat käyttäytymistä kunkin syöpäsolujen erikseen kun se toimii yhdessä sen mikroympäristölle [13] – [16]. Silti nämä lähestymistavat ovat laskennallisesti kalliita ja siksi sovellu pienille väestölle. Toisaalta, jatkuva matemaattisia malleja käytetään yleisesti kuvaamaan kasvun suuria kasvaimia keskittyy enemmän kollektiivista, keskimäärin käyttäytyminen kasvainsolujen [17] – [20]. Nämä lähestymistavat yleensä oletetaan monoklonaalisia kasvainpopulaatiot.

Tässä työssä me laajentaa aiemmin kehitetty jatkuva tilamalli monoklonaalisia kasvaimen kasvua [17], [21] tilille kaksi syövän alaryhmien erillisten ilmiasun että pelata tärkeässä osassa kasvaimen kasvua, invaasio ja metastaasi. Erityisesti oletamme vascularized kiinteä kasvain, joka koostuu yhden proliferatiivisia ja toinen enemmän liikkuvia /invasiivisia fenotyyppi, jotka ovat jatkuvassa kilpailua ja resursseja kasvain microenvironment. Rakentaminen fenotyyppien on inspiroinut lisääntymistä muuttoliike kahtiajako mekanismi [8], [22], vaikka suurempi määrä mahdollisia leviämisen ja liikkuvuus hinnat on myös tutkittu. Kaksi eri hypoteesit ovat myös tutkitaan koskien invasiivisia fenotyyppi. i) Ensimmäisessä, hyökkäys näyttää vastauksena hypoksinen edellytyksin kokeellista näyttöä, joka tukee tätä hypoksinen stressi stimuloi kasvaimen solujen vaeltamiseen [23] – [27] ja ii) toinen, invasiivisen käyttäytymisen hyväksyttiin fenotyyppi riippumatta hypoksia tasolla [10].

on huomattava, että lisääntymistä muuttoliike kahtiajako on tutkittu myös kehyksen, jossa kasvain väestö oletetaan esiintyä kahdessa eri vaiheissa /valtiot ja sen dynamiikka säännellään siirtyminen lakeja lähdön ja reentrance näihin vaiheisiin [28]. Tässä ohjelmassa on useita mekanismeja on ehdotettu laukaista fenotyyppisen kytkin invasiivisia kasvaimissa mukaan lukien satunnainen prosessi [29], hypoksinen olosuhteet [14], paikallinen solutiheys [30] ja solu-solu hylkivä mekanismien yhdistettynä solutiheys [16]. Työmme, kasvain oletetaan koostuvat kahdesta eri kloonia erottuva fenotyyppiset ominaisuudet, enemmän proliferatiivinen ja enemmän liikkuvia. Nämä fenotyypit pidetään kiinteitä ominaisuuksia populaatioiden, jotka eivät muutu koko kasvaimen kehittymistä. Tutkimme edellytykset aseman ja rinnakkaiselon välillä väestön ja tutkia niiden vaikutusta kasvaimen kasvuun ja morfologiaan.

malliennusteisiin osoittavat alueen parametriavaruuden joka heijastaa proliferatiivinen-invasiivisia ristiriitaan kuvauksen eri fenotyyppejä jossa siirtyminen ylivoima entistä proliferatiivisen ylivoima entistä invasiivisia fenotyyppi havaitaan muistuttavat pahanlaatuinen kasvain etenemistä. Tulokset työmme osoittavat, että varhainen taudin etenemiseen on leviämisen ajetaan. Silti, myöhemmässä vaiheessa, kasvava rajoittaminen tilaa ja resursseja kasvaimen mikroympäristössä suosii enemmän liikkuvia soluja, kuten liikkuvuuteen antaa heille paremmat mahdollisuudet saada sekä resurssien ja vapaata tilaa. Kuitenkin eri mikro-ympäristöolosuhteissa ja erilaiset fenotyyppiset ominaisuudet voidaan edistää tai estää hyökkäystä. Tärkeys varhaisen havaitsemisen geneettinen koostumus kehittyvä kasvain on ilmeistä.

Materiaalit ja menetelmät

Matemaattinen malli esitellään tässä työssä kuvataan spatiotemporal kehitystä kasvaimen kasvua ja sen mikroympäristölle käyttäen järjestelmää sidotun, osittaisdifferentiaaliyhtälöiden reaktion-diffuusio-haptotaxis tyyppiä.

mikroympäristölle

kasvain microenvironment ja sen geneettinen koostumus mallinnetaan perustuvat [17], [21]. Mikroympäristö käsittää solunulkoisen matriisin (ECM),

f

ja verisuonistossa,

V

, joka tarjoaa happea kasvainsoluihin.

ECM ja solujen liikkumisen. Lisäksi niiden satunnaisen liikkeen, kasvainsolut voidaan haptotactically siirtyä voimakkaampaa alueilla ECM [21], [31]. Rakenne ja koostumus ECM vaikuttavat soluadheesiota ja liikkuvuus siten, kriittinen rooli kasvaimen invaasio, morfologia ja etäpesäkkeiden [32]. Lisäksi helpottamiseksi niiden liikkumista, kasvainsolut tuottavat yleensä matriisi hajottavat entsyymit (kuten Matrix Metalloproteinases), jotka hajottavat ECM paikallisesti. Matemaattisen mallin ennustukset ovat osoittaneet, [31], että kun makromolekyylien ECM oletetaan homogeenisesti jakautunut, symmetrinen kasvain muodostuu huolimatta geneettinen heterogeenisyys kasvaimen väestön katsoo, satunnainen jakautuminen ECM voi olla realistisempi ja mahdollistaa muodostumisen invasiivisia kasvain morfologioita erityisolosuhteissa nähty todellinen kasvaimia. Näin ollen, oletamme satunnainen jakautuminen ECM (), joka kuitenkin yksinkertaisuuden ei hajoa tai ei muutu mekanismia kasvaimen kasvun aikana.

verisuonistossa.

minimoimiseksi mallinnus muuttujat , verisuonisto oletetaan tilallisesti homogeeninen ja ajallisesti jatkuvaa. Kuten voidaan nähdä (1), happi (

o

) tuotetaan nykyistä verisuonistoon nopeudella

β

ο

, leviää nopeudella

D

o

ja kuluu normoxic ja hypoksinen soluja nopeudella

γ

οc

ja

γ

οh

, vastaavasti. Kehitys uudissuonittumisen ei oteta huomioon, mutta virittämällä parametrit

β

ο

,

γ

οc

ja

γ

οh

olemme epäsuorasti vaikuttaa vascularization tasolla kasvain.

Oxygen-riippuvaisen solu- valtioiden

epätasainen tasapaino hapensaanti ja kulutuksen muotoja alueilla rajallinen hapen. Riippuen hapen saatavuudesta syöpäsolut voivat olla normoxic (

c

), hypoksinen (

h

) tai nekroottinen (

n

). Kuten ehdotetaan [17], normoxic solut kääntyä hypoksinen nopeudella

β

kun happea on riittämätön. Hypoksinen solut voivat kääntyä normoxic nopeudella

γ

jos uudelleen hapetettu, tai kääntyä necrotic nopeudella

α

h

kun happi tulee riittämätön. Vaikka sekä normoxic ja hypoksisia soluja, joutuessaan kosketuksiin kuolion, voi suoraan kääntyä nekroottista, yksinkertaistaa yhtälöitä, jätämme tätä vaikutusta. Hypoksinen solut eivät lisäänny. Muuntokursseja

β

ja

γ

oletetaan suhteessa soluproliferaatioon.

Bi uniklonaalisten kasvaimen kasvun malli

osuus solun heterogeenisyys, The väestö koostuu kahdesta erillisestä fenotyyppien siten, että jokainen normoxic alaryhmästä (

c

1

ja

c

2

) voidaan muuttaa vastaavaksi hypoksinen väestöryhmästä (

h

1

ja

h

2

) ja päinvastoin riippuen hapen saatavuudesta. Normoxic osapopulaatiosta eroavat suhteessa niiden leviäminen hinnat (

ρ

1

ja

ρ

2

), diffuusionopeuksista (

D

c1

ja

D

c2

) ja haptotactic kertoimet (

χ

c1

ja

χ

c2

). Hypoksia osapopulaatiosta eroavat keskenään suhteessa niiden diffuusionopeuksista (

D

h1

ja

D

h2

) ja haptotactic kertoimet (

χ

h1

ja

χ

h2

). Yleensä eri hapenkulutus hinnat ja normoxic-hypoksinen muuntokurssit voisi myös olettaa eri fenotyyppejä tilille kasvaimensisäistä heterogeenisyys. Kuitenkin minimoimiseksi mallinnuksen parametrit ja keskittyä niihin, jotka pääasiassa erottaa nämä kaksi fenotyyppiä, on oletettu, että nämä hinnat ovat samat molemmille fenotyyppien.

Kaksi fenotyypit ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa kilpailevat happi- ja space saatavuus. Järjestelmä on kytketty osittaisdifferentiaaliyhtälöt mukana olevien lajien kuvattu edellisissä kohdissa, on esitetty (1), joka ei ole yksidimensioitu muodossa. In (1),

T

vastaa summaa normoxic, hypoksinen ja nekroottinen solupopulaatioiden. Termi ”1-

T

” käytetään näiden yhtälöiden vastaamaan proliferaation esto ja liikkuvuuden vuoksi solujen syrjäyttämisen ja estää summa kasvainpopulaatiot paikallisesti ylittää kasvainsolu kantokyky. (1) jossa ja

.

jakelu normoxic solujen, oli alustettu Gaussin funktio korkeus on 0,9 ja keskihajonta mm, johtaen aluksi kasvaimen halkaisija on noin 0,6 mm (ottaen huomioon, että kasvain on havaittavissa kun solutiheys on yli 10% suurimmasta kudoksen kantavuus). Oletetaan, että aluksi hypoksisia ja nekroottiset solut eivät ole läsnä. Happipitoisuuden alustetaan sen kylläisyys-arvo (). Verisuoniston,

V

, on vakio ja oletetaan vastaavan yhtä koko toimialueen.

Ei yksidimensioitu muoto järjestelmän yhtälöt (1) ratkaistiin 800 x 800 grid ulottuen yleinen alue, missä L = 4 cm. Ajallinen resoluutio on asetettu

τ

= 8 h. Ei-flux reunaehdot asetetaan kaikille yhtälöt. Spatiotemporal ratkaisu järjestelmän approksimoidaan soveltamalla Vaihtoehtoinen suunta implisiittinen menetelmä Finite Erot kahden paikkatietojen mitat [33], [34].

kuvaus fenotyyppien

Oletetaan, että alkuperäisen kasvain koostuu yhden proliferatiivisia ja toinen enemmän liikkuvia /invasiivisia fenotyyppi. Me kutsumme sitä enemmän proliferatiivinen fenotyyppi,

fenotyyppi 1

ja enemmän liikkuvia fenotyyppi vaihtoehtoisesti

fenotyypin 2

tai

fenotyyppi 3

riippuen hypoteesi, tehty hyökkäys. Erityisesti Fenotyyppikuvaus 2 on invasiivisia hypoksisissa mukaan ja voi näin ollen katsoa ehdollisesti enemmän liikkuvia, kun fenotyyppi 3 on ehdottomasti enemmän liikkuvia. Käyttämällä bi-klonaalisia kasvaimen kasvua mallissa yhteistyössä kasvu välillä Fenotyyppikuvaus 1 ja Fenotyyppikuvaus 2, sekä yhteistyö kasvun välillä Fenotyyppikuvaus 1 ja Fenotyyppikuvaus 3 tutkitaan eri verisuoniston olosuhteissa. Joukko kaikki parametrit käytetty meidän simulaatiot ovat mukaisesti ja [17], [21] ja esitetty taulukossa 1. Lisäksi taulukossa 2 on esitetty tarkat parametrit käytetään kuvaamaan kunkin fenotyyppiin, vaikka erilaisia ​​eri leviämisen ja liikkuvuus hinnat lisäksi tutkitaan. Fenotyyppi 1 on erittäin proliferatiivinen (

ρ

1

=

ρ

), mutta vähemmän invasiivisia (

D

c1

=

D

h1

= 0,1

D

g

,

χ

c1

=

χ

h1

= 0) kuin fenotyyppi 2 ja fenotyypin 3 . Fenotyyppikuvaus 2 on pienempi proliferatiivinen (

ρ

2

= 0,8

ρ

) kuin fenotyyppi 1 ja invasiivisia hypoksiaolosuhteissa (

D

c2

= 0,1

D

g

,

D

h2

=

D

g, χ

c2

= 0,

χ

h2

=

χ

), kun taas fenotyyppi 3 on vielä vähemmän proliferatiivinen (

ρ

2

= 0,4

ρ

) kuin fenotyyppi 2, mutta ehdoitta invasiivisia (

D

c2

=

D

h2

=

D

g

,

χ

c2

=

χ

h2

=

χ

).

sisäiset kasvaimen verisuonistossa

kasvaimen kasvu on opiskellut kaksi varsin erilaista verisuoniston olosuhteissa. Erityisesti oletamme huonosti vascularized kasvain, jossa verisuonisto ei ole selvitetty hyvin tehokkaasti ja hyvin vascularized kasvaimen suhteellisen tehokkaampi kehittäminen verisuoniston sisällä kasvain. Koska uudissuonittumista ei ole nimenomaisesti mallinnettu, me epäsuorasti vaikuttaa vascularization tasolla kasvain vaihtelemalla hapenkulutusta hinnat. Kun huonosti vascularized tapaustutkimus, parametrit hapenottokyky hinnat on esitetty taulukossa 1. Toisaalta, jotta jäljitellä enemmän vascularized kasvain, vähensimme hapenkulutuksen hinnat 1/10 alkuperäiset arvot. Vaikka vakiintuneiden verisuoniston, kuten kasvaimen koon kasvaessa, hapensaannin tulee riittämätön ja alueet hypoksia ja kuolion sisällä kehitettyjen kasvain. Ero köyhien ja verisuonittuneet simuloitu olosuhteet piilee enemmän tai vähemmän nopeasti hypoksia puhkeamista, vastaavasti.

Tulokset

Hypoksia aiheuttama invasiivisen fenotyypin hallitsee erittäin proliferatiivisen yksi

meidän ensimmäiset kokeet, tutkimme kasvua kasvain, joka koostuu proliferatiivisen ja hypoksia-odotuksiin invasiivisia fenotyypin mukaisesti sekä huono ja verisuonittuneet olosuhteissa. Siten

in-silico

kasvain aluksi koostuu fenotyypin 1 ja fenotyypin 2 kuvatulla tavalla

Materiaalit ja menetelmät

osassa. Fenotyyppi 1 oletetaan runsaasti alkupopulaatiosta

c

1

(0):

c

2

(0) = 0.95:0.05 korostaa meidän tuloksia, vaikka tasa kokoinen alustava populaatiot simuloitiin ja tuotti samankaltaisia ​​tuloksia.

Huonosti-verisuonitetulla kasvuolosuhteet.

Kuvio 1A esittää kehitys normoxic väestöryhmästä kunkin fenotyypin. Fenotyyppi 1 aluksi hallitsee väestössä, kun taas fenotyyppi 2 vain hieman kasvaa. Kuitenkin hyvin nopeasti alkamisen jälkeen hypoksian (50 päivän sisällä simuloitu kasvaimen kasvua) sekä fenotyypit rinnakkain runsaasti ja tämän ajanjakson jälkeen, fenotyyppi 2 tulee hallitseva määrätään lopullisesti poistaminen normoxic väestöryhmästä fenotyypin 1. Sen olisi huomattava, että hypoksinen solujen fenotyypin 1 löytyy edelleen kasvaimeen populaation (kuva S1), mikä osoittaa, että tämä tasapaino voidaan muuttaa, jos vascularization tasolla kasvain muutoksia. Sen lisäksi, että ajallinen kehitys, alueellisen jakautumisen kahden kehittyvän fenotyyppien on myös mielenkiintoinen siitä, miten nämä populaatiot sijaitsevat kasvain. Kuten voidaan nähdä kuviosta 1B, päivänä 50, fenotyyppi 1 tilallisesti hallitsee yli fenotyypin 2, kun taas molemmat fenotyypit ovat levinneet laajalti kasvain. Kuitenkin, kun 200 päivää simulointi, fenotyypin 1 on tiukasti sijaitsee keskellä kattaa alueen säde 0,35 cm noin, kun taas fenotyypin 2 on laajennettu ja sijoitettu kasvaimen muodostavista reunoista leviämisrintamassa pituudeltaan 0,9 cm noin.

A, D) kehitys vastaavan normoxic osapopulaatioista kunkin fenotyypin havainnollistaa ylivoima fenotyypin 2. B, E) keskeinen poikkileikkaus kasvain päivänä 50 ja päivänä 200 osoittaa alueellista jakautumista elinkelpoisten sub -populations on kaksi fenotyyppiä, vastaavasti. C, F) maantieteellinen jakautuminen elinkelpoisia (normoxic ja hypoksinen) solujen kuluttua 200 kuvitteellisia päivän vaihdellen sinisen värin alhaisin solutiheys on punaisen värin korkeimmalla havaita kuvattu vastaava Colorbar.

koko siirtyminen ylivoima enemmän proliferatiivisen ylivoima enemmän invasiivisia fenotyyppi, morfologia simuloidun kasvaimen myös siirtyy vankka ja pyöreä kasvaimen erittäin helposti leviävä kasvain (Video S1). Katsaus alueellista jakautumista elinkelpoisten (normoxic ja hypoksinen) soluja päivänä 200, on esitetty kuvassa 1C. Johtuen nopeasta ylivoima invasiivisen fenotyypin, tiheys elävien solujen on suhteellisen pieni. Kuten odotettua, tiheämpi alueilla elävien solujen sijaitsevat kasvaimen reunoille, kun taas morfologiset epävakautta kasvaimen edessä on muodostettu, kuten fenotyyppi 2 liikkuu paikallisten gradienttien soluväliaineen.

Hyvin verisuonittunut kasvuolosuhteissa.

vuonna hyvin vascularized kasvain kokeissa ulkonäkö hypoksia viivästyy merkittävästi tuloksena on viivästynyt ylivoima invasiivisen fenotyypin. Kuten voidaan nähdä kuviosta 1D, kun fenotyyppi 1 aluksi hallitsee ja fenotyypin 2 hieman kasvaa, noin 100 päivää simuloitujen kasvaimen kasvua, sekä fenotyypit ovat runsaat. Sen jälkeen fenotyyppi 2 tulee hallitseva, kun väestö fenotyypin 1 pienennetään lähelle sukupuuttoon. Progressiivinen hallitsevuus fenotyypin 2 näkyy sekä normoxic (kuvio 1 D) ja hypoksinen -alapopulaatioiksi (kuva S3). Kuten kuviossa 1E, alueellisen jakautumisen kahden kehittyvän fenotyyppien osoittaa, että päivänä 200, fenotyyppi 1 on rajoitettu kasvaimen keskustassa, joka säde on 0,63 cm noin, kun taas fenotyyppi 2 hallitsee at kasvain reunoilla säveltää leviämisrintamassa pituudeltaan 0,62 cm noin. Kasvain halkaisija päivänä 200 on samanlainen kooltaan kanssa huonosti vascularized kasvain (Kuva S2 ja kuva S4), joka on suunnilleen yhtä suuri kuin 2,5 cm. Kuvio 1E esittää myös, että alle hyvin sisäisen kasvaimen verisuonittumista, avaruudellinen laajuus fenotyypin 1 on suurempi ja tiheys invasiivisen solujen kasvaimen edessä ovat huomattavasti korkeammat kuin huonosti vaskularisoitunut tuumori (esitetty kuviossa 1 B), joka on odotettavissa, koska pitkän ajan kanssa runsas happi edistää solujen kasvua. Lisäksi jakelu tiheys elävien solujen päivänä 200 (kuvio 1 F) on huomattavasti tiheämpää ja kiinteä verrattuna huonosti vascularized kasvain (kuvio 1C). Kehitys elävien solujen alusta simulaatiot voidaan nähdä Video S2.

simulaatiot Yhdistetyt osoittavat, että vaikka proliferatiivinen fenotyyppi aluksi kasvaa ulos, alkamisen jälkeen hypoksian, hypoksian indusoiman invasiivisen fenotyypin tulee hallitseva väestöryhmästä sekä hyvin ja huonosti vascularized kasvaimia, vaikka se on harvinaisempia alkupopulaatiosta. Simulaatiot osoittavat myös, että fenotyyppi 1 tiukasti sijaitsee keskustassa, kun taas fenotyyppi 2 sijaitsee sen kasvaimen reunoilla. Kuten odotettua, puhkeamista hypoksia on tärkeää seuraus invasiivisen fenotyypin ja huono sisäinen kasvain vascularization edistää sen määräävää asemaa. Muita kokeita (kuva S5, teksti S1) osoittavat, että kun fenotyyppi 1 ja fenotyypin 2 co-kasvamaan happiolosuhteissa, fenotyyppi 1 suositaan sen sijaan, kun fenotyyppi 2 loukkuun kasvaimen ytimessä ja sen kasvu on pysähtynyt. Lisäksi kokeissa, joissa me muuttaa alkuvaiheen normoksia (kuva S6, kuvio S7 ja teksti S1) osoittavat myös, että tarkka ajoitus hypoksia puhkeamista on myös kriittinen. Jos normoxic kestää tarpeeksi kauan, kasvua fenotyyppi 2 on pysähtynyt. Mielenkiintoista, populaatiodynamiikasta voi myös muuttaa, jos happi tulee runsaat jälkeen jossain vaiheessa (kuva S8, Text S1).

normoksia kiihdyttää ylivoima ehdoitta invasiivisen fenotyypin

Tässä kokoonpanossa kokeiden, pidämme yhdessä kasvua enemmän proliferatiivisen ja ehdoitta enemmän liikkuvia fenotyypin mukaisesti sekä huono ja verisuonittuneet olosuhteissa. Alkuperäisen kasvaimen siten, koostuu proliferatiivinen fenotyypin 1 ja invasiivisen fenotyypin 3 (taulukko 2). Jälleen kaikissa kokeissa, proliferatiivinen invasiivisia alkupopulaatio suhde on

c

1

(0):

c

2

(0) = 0.95:0.05. Kuitenkin yhtä suureen alkuperäisen populaatiot simuloitiin ja tulokset olivat samanlaiset.

Huonosti-verisuonitetulla kasvuolosuhteet.

pitoisuus normoxic osapopulaatiosta kunkin fenotyypin ajan näkyy Kuvio 2A. Hyvin pitkän ajanjakson alusta simulaatiot, fenotyyppi 1 hallitsee sisällä kasvain, kun taas fenotyyppi 3 näyttää ei-kasvavat ikään kuin unessa. Yllättäen kuitenkin, kun noin 150 päivää, fenotyyppi 3 alkaa kasvaa nopeasti ja hallitsevat väestössä, kun taas väestö fenotyypin 1 vähenee. On huomattava, että vastaava hypoksinen osapopulaatioista kahden fenotyyppien osoittavat samanlaisia ​​dynaaminen käyttäytyminen, mutta siirtyminen ylivoima proliferatiivisen ylivoima invasiivisen fenotyypin ei tapahdu 240 päivää kasvaimen kasvun simulointi (kuvio S9) . Alueellista jakautumista kahden kehittyvän fenotyyppien on esitetty kuvassa 2B. Vaikka leviäminen invasiivisen fenotyyppi kasvain reunat voidaan nähdä kuviosta 2B ja kuviossa 2C, avaruudellinen ylivoima proliferatiivinen fenotyypin näkyy lähes koko kasvain verkkotunnus. Kokonaismäärä kasvaimen halkaisija päivä 200 on noin 1,9 cm, kun taas invasiivisen ulkonemien pituus suunnilleen sama kuin 0,25 cm. Kuvio 2C havainnollistaa alueellista jakautumista tiheys elinkelpoisten solujen päivänä 200, kun taas sen kehitystä alusta simulaatiot voidaan nähdä Video S3.

A, D) kehitys vastaavan normoxic osapopulaatiosta kunkin fenotyypin havainnollistaa ylivoima fenotyypin 3. B, E) keskeinen poikkileikkaus kasvain päivänä 50 ja päivänä 200 osoittaa alueellista jakautumista elinkelpoisten osapopulaatiosta kahden fenotyyppien, vastaavasti. C, F) maantieteellinen jakautuminen elinkelpoisia (normoxic ja hypoksinen) solujen kuluttua 200 kuvitteellisia päivän vaihdellen sinisen värin alhaisin solutiheys on punaisen värin korkeimmalla havaittujen, kuten on kuvattu vastaavan Colorbar.

hyvin verisuonitetulla kasvuolosuhteet.

Kuva 2D esittää kehitys normoxic osapopulaatiosta kahden fenotyyppien alle hyvin vascularized kasvaimen kasvua olosuhteissa. Samoin kanssa huonosti happipitoista kasvain, siirtymää valtaväestön on havaita fenotyyppi 1 fenotyypin 3 kasvaimen kasvun aikana. Kuitenkin ylivoima invasiivisen fenotyypin havaitaan molemmissa normoxic (kuvio 2D) ja hypoksinen alaryhmille (kuva S11) ja näyttää noin 50 päivää aikaisemmin siinä normoxic väestön kuin huonosti vascularized kasvain osoittaa, että kasvain vascularization on tärkeää kompensoida että merkittävästi vähentää proliferatiivista kapasiteettia invasiivisen fenotyypin. Päivänä 200, kasvaimen halkaisija on suunnilleen yhtä suuri kuin 2,4 cm, toisin kuin huonosti vascularized kasvain, joka on pienempi kooltaan noin 1,9 cm halkaisijaltaan (kuvio S10 ja kuvio S12). Kuvio 2E esittää alueellisen jakautumisen kahden kehittyvän fenotyyppien alle hyvin verisuonitetulla kasvuolosuhteet. Alussa kasvaimen kasvua (fiktiivinen päivä 50), fenotyyppi 1 tilallisesti hallitsee yli fenotyyppi 3, kun taas molemmat fenotyypit jaetaan koko kasvain verkkotunnus. Kuitenkin, kun 200 päivää kasvun fenotyypin 1 sijaitsee pääosin kasvaimen keskelle kattaa alueen säde 0,44 cm noin, kun taas fenotyyppi 3 hallitsee klo kasvain muodostavista reunoista invasiivisen edessä pituus 0,49 cm noin. Koska kasvain edetessä ja ylivoima fenotyypin 1 siirtyy ylivoima fenotyypin 3, sen muotoa merkittävästi muuttuu kompakti ja lähes pallomainen muoto on diffusiivisempi ja tunnustelin morfologia (Video S4). Kuvio 2F havainnollistaa alueellista jakautumista tiheys elinkelpoisten solujen päivänä 200.

Kaiken simulaatiot osoittavat, että kun fenotyyppi 1 ja fenotyypin 3 co-kasvaa, entinen aluksi hallitsee mutta jälkimmäinen lopulta kasvaa ulos ja tulee hallitseva väestöryhmästä alla sekä hyvin ja huonosti vascularized kasvaimia. Progressiivinen hallitsevuus fenotyypin 3 johtaa morfologia muutos pallomainen muoto kasvaimeen morfologisiin epävakauteen. Verrattuna fenotyypin 1, fenotyyppi 3 on (ehdoitta) lisää invasiivisia vielä, pienentyneellä proliferatiivista kapasiteettia. Kompensoimaan sen vähensi proliferatiivista kapasiteettia ja voittaa aikaa väestön lisäämiseksi, pitkittynyt normoxic aika on ratkaiseva nopeammin ylivoima fenotyypin 3. Vastoin fenotyyppiin 2, normoksia sallii ylivoima fenotyypin 3 ja kiihdyttää puhkeamista (kuva S13 ).

ristiriitaan leviämisen ja invaasion hinnat

seuraava kysymys, joka nousee luonnollisesti esiin, koskee sitä asteittain ylivoima invasiivisen fenotyypin, havaittu edellisessä kokeissa on seurausta tietyn solun ominaisuudet (diffuusio ja leviämisen hinnat) nimetyillä fenotyypit. Siksi tutkimme dynamiikka kasvainpopulaatiot kuin me vaihdella proliferaationopeus () ja diffuusionopeutta () invasiivisen fenotyypin, pitäen määrien proliferatiivisen, fenotyyppi 1 vakio. Lisäksi haptotactic kerroin kullekin hiljattain rakennettu invasiivisen fenotyypin on pidetty samana (

χ

c2

=

χ

h2

=

χ

) .

Kuten olemme jo mainittiin, invasiivisia fenotyyppi voi olla joko ehdollisesti enemmän invasiivisia tyypistä fenotyypin 2 tai ehdoitta enemmän invasiivisia tyypistä fenotyypin 3. seuraavissa kokeissa kutsumme fenotyyppi, joka on rakennettu, kun asetamme erilaisia ​​diffuusio ja leviämisen alk fenotyyppi 2,

fenotyyppi 2 *

ja

fenotyyppi 3 *

vastaavasti muutoksia määrien fenotyypin 3. yhteistyön kasvu välillä fenotyypin 1 ja fenotyypin 2 * välillä sekä fenotyyppi 1 ja fenotyypin 3 * tutkitaan alla sekä huono ja verisuonittuneet kasvuolosuhteet. Tässä koesarjassa kaksi fenotyypit tutkittavana ovat aluksi yhtä suureen.

Kuva 3 tekee yhteenvedon alueiden parametriavaruuden jossa jokainen fenotyyppi hallitsee kussakin tapauksessa juuri mainitsimme. Erityisesti suhteellisen leviämisen-invaasio rate kartta kuviossa 3, parametri pareittain joka fenotyypin 1 hallitsee koko kasvaimen kasvua on kuvattu sinisellä, kun taas ylivoima invasiivisen fenotyypin, fenotyypin 2 * tai ilmiasun 3 * havainnollistetaan punaisella väri. Toisaalta, vihreä väri vastaa parametrien arvot, jos siirtyminen ylivoima fenotyypin 1 ylivoima invasiivisen fenotyypin havaitaan jossain vaiheessa koko kasvain evoluutio, jossa molemmat fenotyypit ovat suhteellisen runsaasti.

Points sinisellä vastaavat muuttujien paria, jossa proliferatiivinen fenotyyppi 1 minoi. Jossa punainen väri edustaa ylivoima invasiivisen fenotyypin ja vihreällä värillä kuvataan aluetta, jossa siirtyminen ylivoima proliferatiivisen fenotyypin 1 ylivoima invasiivisen fenotyypin havaitaan.

Kuva 3A ja kuvio 3C vastaavat huonosti vascularized kasvuolosuhteista, kun taas kuvio 3B ja kuvio 3D vastaavat hyvin vascularized olosuhteissa. Pienet erot voidaan havaita kahden olosuhteissa. Kuitenkin mitä on pääasiassa havaittu on ero fenotyypin 2 * (kuvio 3A ja kuvio 3B) ja fenotyypin 3 * (Kuva 3C ja kuvio 3D) suhteessa alueen niistä kukin liittyy parametrin tilaan. Vaikka fenotyyppi 1 hallitsee useimmilla alueilla parametriavaruuden tutkitaan, fenotyyppi 3 * suhteessa fenotyyppiin 2 * kattaa suuremman alueen parametrin tila osoittaa, että ehdoitta invasiivisen fenotyyppi on laajempi yhdistelmiä lisääntymisen ja diffuusionopeuksista jonka avulla se