Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Семенова Н. И., Тучин В. В. Влияние осмотического давления на раковые клетки в трехмерной клеточной решетке и клеточном сфероиде // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 4. С. 559-570. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-4-559-570

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 200)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182, 616.5-006

Влияние осмотического давления на раковые клетки в трехмерной клеточной решетке и клеточном сфероиде

Авторы: 
Семенова Надежда Игоревна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Тучин Валерий Викторович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Целью данной работы является изучение особенностей влияния внешнего воздействия, а именно осмотического давления, на раковые клетки. Методы. Для этого были рассмотрены пространственно-распределенные системы, описывающие динамику трехмерной клеточной решетки, клеточного сфероида и клеточной поверхности. Рассматриваемая модель основана на базовых принципах гидродинамики, а ее моделирование проводилось при помощи модифицированного метода Эйлера. Результаты. В работе предлагаются трехмерные модели для изучения динамики раковых клеток в эпидермальном слое кожи; модели включают в себя возможность добавления дополнительного давления и его изменения при помощи одного параметра. Показывается, что при определенных значениях осмотического давления во всех рассмотренных моделях можно добиться замедления роста раковых клеток.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации, грант № 14.Z50.31.0044
Список источников: 
  1. Murray J. D. Mathematical Biology. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1993. 770 p. DOI: 10.1007/978-3-662-08542-4.
  2. Prigogine I., Nicolis G. Self-Organisation in Nonequilibrium Systems: Towards A Dynamics of Complexity // In: Hazewinkel M., Jurkovich R., Paelinck J. H. P. (eds) Bifurcation Analysis. Dordrecht: Springer, 1985. P. 3–12. DOI: 10.1007/978-94-009-6239-2_1.
  3. Turing A. M. The chemical basis of morphogenesis // Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 1952. Vol. 237, no. 641. P. 37–72. DOI: 10.1098/rstb.1952.0012.
  4. Maini P. K. Hierarchical models for spatial pattern formation in biology // Journal of Biological Systems. 1995. Vol. 3, no. 4. P. 987–997. DOI: 10.1142/S0218339095000885.
  5. Murray J. D., Cook J., Tyson R., Lubkin S. R. Spatial pattern formation in biology: I. Dermal wound healing. II. Bacterial patterns // Journal of the Franklin Institute. 1998. Vol. 335, no. 2. P. 303–332. DOI: 10.1016/S0016-0032(97)00034-3.
  6. Scarabotti P., Govezensky T., Bolcatto P., Barrio R. A. Universal model for the skin colouration patterns of neotropical catfishes of the genus Pseudoplatystoma // Sci. Rep. 2020. Vol. 10, no. 1. P. 12445. DOI: 10.1038/s41598-020-68700-0.
  7. Clarke M. A., Fisher J. Executable cancer models: successes and challenges // Nat. Rev. Cancer. 2020. Vol. 20, no. 6. P. 343–354. DOI: 10.1038/s41568-020-0258-x.
  8. Karolak A., Markov D. A., McCawley L. J., Rejniak K. A. Towards personalized computational oncology: from spatial models of tumour spheroids, to organoids, to tissues // J. R. Soc. Interface. 2018. Vol. 15, no. 138. P. 20170703. DOI: 10.1098/rsif.2017.0703.
  9. Metzcar J., Wang Y., Heiland R., Macklin P. A review of cell-based computational modeling in cancer biology // JCO Clinical Cancer Informatics. 2019. Vol. 3, no. 3. P. 1–13. DOI: 10.1200/CCI.18.00069.
  10. Voutouri C., Stylianopoulos T. Evolution of osmotic pressure in solid tumors // J. Biomech. 2014. Vol. 47, no. 14. P. 3441–3447. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2014.09.019.
  11. Cheng G., Tse J., Jain R. K., Munn L. L. Micro-environmental mechanical stress controls tumor spheroid size and morphology by suppressing proliferation and inducing apoptosis in cancer cells // PLoS ONE. 2009. Vol. 4, no. 2. P. e4632. DOI: 10.1371/journal.pone.0004632.
  12. Tse J. M., Cheng G., Tyrrell J. A., Wilcox-Adelman S. A., Boucher Y., Jain R. K., Munn L. L. Mechanical compression drives cancer cells toward invasive phenotype // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012. Vol. 109, no. 3. P. 911–916. DOI: 10.1073/pnas.1118910109.
  13. La Porta C. A. M., Ghilardi A., Pasini M., Laurson L., Alava M. J., Zapperi S., Ben Amar M. Osmotic stress affects functional properties of human melanoma cell lines // Eur. Phys. J. Plus. 2015. Vol. 130, no. 4. P. 64. DOI: 10.1140/epjp/i2015-15064-x.
  14. Macklin P., Edgerton M. E. Discrete cell modelling // In: Cristini V., Lowengrub J. (eds) Multiscale Modeling of Cancer: An Integrated Experimental and Mathematical Modeling Approach. Cambridge: Cambridge University Press, 2010. P. 88–122. DOI: 10.1017/CBO9780511781452.007.
  15. Giatili S. G., Stamatakos G. S. A detailed numerical treatment of the boundary conditions imposed by the skull on a diffusion–reaction model of glioma tumor growth. Clinical validation aspects // Applied Mathematics and Computation. 2012. Vol. 218, no. 17. P. 8779–8799. DOI: 10.1016/j.amc.2012.02.036.
  16. Hoshino T., Liu M.-W., Wu K.-A., Chen H.-Y., Tsuruyama T., Komura S. Pattern formation of skin cancers: Effects of cancer proliferation and hydrodynamic interactions // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 99, no. 3. P. 032416. DOI: 10.1103/PhysRevE.99.032416.
  17. Montel F., Delarue M., Elgeti J., Vignjevic D., Cappello G., Prost J. Isotropic stress reduces cell proliferation in tumor spheroids // New J. Phys. 2012. Vol. 14, no. 5. P. 055008. DOI: 10.1088/1367-2630/14/5/055008.
  18. Villani T. S., Gardner G., Johnson M., Crider N. 3D High Content Imaging of Optically-Cleared Spheroids for Cancer Drug Screening. New Jersey, US: Visikol, 2017.
  19. Grist S. M., Nasseri S. S., Poon T., Roskelley C., Cheung K. C. On-chip clearing of arrays of 3-D cell cultures and micro-tissues // Biomicrofluidics. 2016. Vol. 10, no. 4. P. 044107. DOI: 10.1063/1.4959031.
  20. Jain R. K. Transport of molecules in the tumor interstitium: a review // Cancer Research. 1987. Vol. 47, no. 12. P. 3039–3051.
  21. Doi M. Soft Matter Physics. Oxford: Oxford University Press, 2013. 272 p. DOI: 10.1093/acprof:oso/9780199652952.001.0001.
  22. Chatelain C., Balois T., Ciarletta P., Ben Amar M. Emergence of microstructural patterns in skin cancer: a phase separation analysis in a binary mixture // New J. Phys. 2011. Vol. 13, no. 11. P. 115013. DOI: 10.1088/1367-2630/13/11/115013. 
Поступила в редакцию: 
27.05.2021
Принята к публикации: 
28.06.2021
Опубликована: 
30.07.2021