SUPERVISOR
مهدی صادقی (استاد مشاور) مارکو آرچ تی (استاد مشاور) محمدحسین منشئی (استاد راهنما)
STUDENT
Javad Salimi Sartakhti
جواد سلیمی سرتختی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Modeling and simulation of Cancer progression using game theory and multiagent systems
Cancer is a well-known horrible disease that the number of its patients is forecast to rise and reach close to 25 million over the next two decades. Uncontrolled cell division and replication, and tissue invasion are main characteristics of cancer. These results in disrupting signaling cascades within the cells, cooperation and interaction between cells, and tissue structure. According to common knowledge, mutations in oncogenes and tumor suppressor genetrigger cancer initiation. Then, the mutant cell cooperates with themselves, and with stromal cells to promote cancer disease. Finally, cancer cells become more aggressive and invade neighbor tissues and spread to other parts of the body. Although genetic mutations that beget cancer initiation are random, the process by which some cancer cells are favored is not random and is controlled by the nature selection and cells’ fitness. Cancer is the consequence of somatic evolution and have all essential elements of Darwinian evolution. Traditionally, researchers from many different backgrounds have modeled interesting and unexpected ideas in cancer promotion and progression. However, most of them have ignored the evolutionary process of the cancer. The evolutionary dynamics of the tumor’s cell population is best described in terms of frequency dependent selection, akin to Evolutionary Game Theory (EGT). There are several studies using EGT to model different cancer’s hallmarks. These models also have some drawbacks such as neglecting tumor’s structure, collective behaviors, and the existence of several public goods in tumor-stroma interactions. Each of these cases can lonely changes the evolutionary dynamics of cancer cells. In this study we have proposed a game theoretical framework (includes three models) to describe the interaction of tumor’s clones in different aspects of cancer. Our framework improves the drawback through considering collective behaviors and tumor’s structure in the evolutionary dynamics. This study has been organized in three phases. In the first phase, we propose a pairwise EGT to describe MMP-TIMP interaction in both normal tissue and invasive cancer. Our model explains how invasive cancer cells get the upper hand in MMP-TIMP imbalance scenarios. In this model, we investigate the necessary conditions to inhibit cancer invasion or prolong its course. In the second phase, we have shown that a model in which growth factors have autocrine and paracrine effects on multiple cells, a more realistic assumption for tumor-stroma interactions, leads to different results, with implications for disease progression and treatment. In particular, the model reveals that reducing the number of malignant plasma cells below a critical threshold can lead to their extinction and thus to restore a healthy balance between osteoclast and osteoblast, a result in line with current therapies against multiple myeloma. In the last phase, we detail an EGT to better understand how clones capable of secreting pro-angiogenic factors can emerge in a tumor made of non-cooperative tumor cells. Given the importance of the spatial configuration of the tumor in determining the efficacy of the secretion of pro-angiogenic factors as well as the benefits of angiogenesis we have developed a spatial game theoretic approach where interactions and public good diffusion are described by graphs. The results show that structure of the population affects the evolutionary dynamics of the pro-angiogenic clone. Specifically, when the benefit of angiogenesis is represented by sigmoid function. Generally, in this study we have extended the evolutionary theory of cancer cells by considering tumor’s structure and collective behavior that leads to different results rather than other models.
سرطان، بیماری نامآشنایی است که روزبهروز به تعداد قربانیان آن افزوده میشود و طبق پیشبینیها تا دههی آینده سالانه 25 میلیون قربانی در جهان خواهد گرفت. ویژگی اصلی این بیماری پیچیده، رشد سلولی غیرقابل کنترل و تهاجم است که منجر به تخریب فعالیتهای نرمال در سطح داخل سلولی، بین سلولی و بافت میشود. طبق تفکر رایج، شروع سرطان با ایجاد جهش در یکی از ژنهای مرتبط با رشد و یا کنترل سلولی آغاز میشود و در ادامه با همکاری و رقابتی که بین سلولهای جهشیافته از یک طرف و سلولهای محیطی (استرومال) از طرف دیگر ایجاد میشود سلولهای سرطانی رشد کرده و خود را در نئوپلاسم تثبیت میکنند. درگام آخر، سلولهای سرطانی مهاجم به بافتهای اطراف و سایر نقاط بدن سرایت میکنند. اگرچه وقوع جهش در سلولهای سرطانی امری تصادفی است اما فرآیندی که در دل آن سلولهای سرطانی تکامل پیدا میکنند توسط انتخاب طبیعی و با توجه به شایستگی سلولها کنترل میشود. سرطان بیماری تکامل سلولهای غیرجنسی است که تمام عناصر تکامل داروین را دارد. تاکنون مدلهای بسیاری در زمینهی توصیف بیماری سرطان و ویژگیهای آن ارائه شدهاست. این مدلها طیف وسیعی از روشهای ریاضیاتی، زیستی، فیزیکی و کامپیوتری را شامل میشوند. اما، اغلب آنها به تکاملی بودن این بیماری توجهی ندارند. مطالعهی تکامل دینامیک این سلولها که بیانگر رفتار آنهاست یکی از بحثهای موجود در تئوری بازیهای تکاملی است. مدلهای گوناگونی تاکنون در زمینه استفاده از تئوری بازیها در سرطان ارائه شدهاست. این مدلها برای بیان ویژگیهای گوناگونی از سرطان همچون تهاجم سلولهای سرطانی، تغییر متابولیسم سلولی سرطان و فرآیند رگزایی بیان شدهاند. مدلهای ارائهشده هرکدام از مشکلاتی رنج میبرند که از مهمترین آنها میتوان به عدم در نظر گرفتن ساختار تومور و تعاملات جمعی اشاره کرد. ساختار و تعاملات جمعی در یک بازی میتوانند نتایج خروجی را دستخوش تغییرات فراوانی کند. هدف از این پژوهش ارائه مدلی مبتنی بر تئوری بازیها برای بیان تعاملات بین سلولی در تومورهای سرطانی است که در آن علاوه بر در نظر گرفتن تأثیرات ساختار بر تکامل جمعیت، هر سلول بر اساس میزان شایستگی، سیگنالهای شیمیایی دریافتی و تخمینی از وضعیت سایر اعضای جمعیت تصمیمگیری میکند. در این راستا سه ویژگی اصلی سلولهای سرطانی شامل تکثیر سیگنالهای رشد و رشد سلولی در سرطان میلوم متعدد، تهاجم سلولهای سرطانی به بافتهای اطراف و تخریب ماتریس خارج سلولی، و فرآیند رگزایی در تومورهای سرطانی مدل شدهاند. ابتدا با استفاده از تئوری بازیهای تکاملی، برای نخستین بار، مدلی برای بیان تهاجم سلولهای سرطانی در یک بافت، با توجه به تغییرات MMP و TIMP ارائه شدهاست که بخوبی ازهمپاشیدگی ماتریس خارج سلولی را در تهاجم سرطان بیان میکند. با استفاده از این مدل سعی شدهاست راهکارهایی برای جلوگیری از تهاجم، با استفاده از روشهای درمانی موجود پیشنهاد شود. در گام بعد، با ارائهی یک بازی جدید (بازی تکاملی کالاهای ناخالص عمومی چندگانه) مشکل تعاملات دودویی در مدل اول برطرف شدهاست. بازی ارائهشده یک نسخه عمومیتر از بازی کالای عمومی است که دارای دو برتری نسبت به آن است: 1- هر کالا (فاکتور رشد) در این بازی دارای تاثیرات متفاوتی است. 2- بازیکنان میتوانند در تولید بیش از یک فاکتور رشد مشارکت کنند. بهعنوان یک کاربرد، سرطان میلوم متعدد با استفاده از بازی ارائهشده، مدل شدهاست. مدل ارائهشده دارای نتایج بسیار متفاوتی از مدلهای دودویی است که این نتایج، تفاوتهای جالبی را در بحث درمان ایجاد میکند. در گام نهایی نیز یک بازی کالای عمومی ساختارمند برای مدلسازی فرآیند رگزایی در تومورهای سرطانی ارائه شدهاست که برخلاف سایر مدلها نشان میدهد که چگونه تکامل به همراه ساختار میتواند منجر به گسترش کلون رگزا در تومور شود. با توجه به مدلهای ارائهشده میتوان گفت اگرچه سایر کارها در این زمینه گامهای موثری در مدلسازی بیماری سرطان بودهاند اما برای اولین بار در این پژوهش، ایدهی تکاملی بودن سرطان با توجه به ساختار و تعاملات جمعی در تعاملات تومور بخوبی گسترش یافتهاست. این ایده منجر به نتایج جالب و بعضا غیرمنتظرهای شده است که حتی درمانهای سرطانی را در مقام تحلیلهای تئوری دستخوش تغییراتی کردهاست.