SUPERVISOR
Hossein Falsafain,Mohammad hossein Manshaei,Javad Salimi Sartakhti
حسین فلسفین (استاد راهنما) محمدحسین منشئی (استاد راهنما) جواد سلیمی سرتختی (استاد مشاور)
STUDENT
Niloofar Fallah kazemi
نیلوفر فلاح کاظمی لیالستانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Analysis of Cancer Cells Collective Interactions with a Game Theoretical Approach
Cancer is one of the most critical challenges today as one1- Cancer Modeling, 2- Quorum Sensing, 3- Glioma Cancer, 4- Evolutionary Game Theory. of the ten leading causes of death in the world. Every year, most governments spend large amounts of national budgets on research projects to model cancer in order to ropose appropriate treatment protocols. The main complicating characteristics of cancer are first, its autonomous increasing growth, and second, invasive expansion in the body which happens by transforming cells and tissues into new areas. Cancer initiates with a randomized mutation and activity of these cells continues by their natural selection and cellular evolution following the Darwinian evolutionary principles. So far, there are many kinds of research in modeling and studying the behavior of cancer tumors in various fields including mathematics, biology, physics, and computers. Most of these models do not pay attention to the evolutionary trend of cancer tumors. Evolutionary game theory is a method for studying the evolutionary and dynamic behavior of the cancer cells. Many models have been developed using evolutionary game theory which each of them has some weaknesses and strengths in terms of cancer modeling. Each of these models examines the complex and different behaviors of the tumor in terms of angiogenesis, drug resistance, cellular invasion, and metabolic changes in the cells. Cancer reactions in the presence of pharmaceutical agents, also known as drug resistance, is one of the most unusual cancer tumor behaviors that has a similar process with behavior of bacteria. Quorum sensing is the process observed in the collective interactions of bacteria such as biofilm production. There are many evolutionary game models addressing cancer and bacterial drug resistance. The most significant weakness in most cases is lack of structure and collective interactions among cells, and also there is not any game theoretical model that proves the Quorum sensing in the cancer population. The purpose of this study is to investigate the Quorum sensing in cancer cells with a game theoretical approach. The quorum sensing, which is a collective behavior, can be seen in the cancer population. We first study the effect of the structure on the results of the game analysis by studying a basic model, with three phenotypes, then, we use the replicator equations to examine the number of neighbors of each cell and the Quorum sensing in the tumor. In the long run, we examined the model with a four-phenotype and analyze the role of the quorum sensing in it. This process of analyzing and considering the structure and behavior of our measurement has yielded results that we can use as suggestions for the design of the treatment protocol. Additionally,, proving the existence of Quorum sensing in cancer cells that is presented for the first time with an evolutionary perspective, can provide a good view of collective interactions in between cancer tumors which because of this behavior in bacteria, it can play an effective role in finding appropriate therapeutic approaches.
سرطان یکی از مهمترین چالشهای امروزه است که جزء ?? عامل اصلی مرگ در دنیاست. هرساله میزان زیادی از بودجههای کشوری صرف مطالعهی سرطان، مدلسازی آن و پیشنهاد پروتکلهای درمانی مناسب میشود. سرطان به زبانی ساده، حاصل جهشی در ژنهای مرتبط با رشد سلولی است. ویژگی اصلی سرطان که آنرا به پدیدهای پیچیده تبدیل میکند، رشد نامنظم و فزاینده آن و تهاجم به سایر نقاط بدن است. این دو ویژگی باعث تخریب هماهنگی بین سلولها و بافت میشود. نهایتاً با تهاجم به نقاط دیگر بدن نیز انتقال پیدا میکند. هرچندکه شروع سرطان با جهشی تصادفی انجام میگیرد، ادامه فعالیت این سلولهای سرطانی با انتخاب طبیعی و تکامل سلولی آنها است که از اصول تکاملی داروین تبعیت میکند. تاکنون در حوزههای مختلف، از جمله ریاضی، زیست، فیزیک و کامپیوتر، به مدلسازی و مطالعه رفتار تومورهای سرطانی پرداختهاند. اغلب این مدلسازیها به روند تکاملی تومورهای سرطانی توجهی ندارند. ابزار تئوری بازیهای تکاملی، روشی برای مطالعه رفتار تکاملی و پویای سلولهای سرطانی است. مدلهای زیادی با استفاده از نظریه بازیهای تکاملی ارائه شدهاند که هر کدام دارای نقاط ضعف و قوتی هستند. هر کدام از این مدلسازیها، به بررسی رفتارهای پیچیده و متفاوت تومور سرطانی، مانند رگزایی، مقاومت دارویی، تهاجم سلولی و تغییرات متابولیسمی سلولها پرداختهاند. یکی از جالبترین رفتارهای تومور سرطانی، مشابهت آن با رفتار باکتریها، در حضور عوامل دارویی است. این رفتار که به مقاومت دارویی شناخته میشود، شامل فرآیندهای مختلف مانند حرکت سلولی، ساخت ریزمحیط و تغییراتی در متابولیسم سلول است. باکتریها نیز در برابر ورود عوامل آنتیباکتریال، از خود رفتارهایی مانند شناور شدن و ساخت بیوفیلم نشان میدهند. روندی که در تعاملات جمعی باکتریها، مانند ساخت بیوفیلم، دیدهشدهاست، سنجش حدنصاب یا Quorum Sensing است. مدلهای زیادی در حوزهی مقاومت دارویی سرطان و باکتری ارائه شدهاست. مهمترین ضعفی که در اکثر نمونهها دیدهمیشود، درنظر نگرفتن ساختار و تعاملات جمعی در بین سلولها است. هدف این پژوهش بررسی وجود رفتار سنجش حدنصاب در سلولهای سرطانی است. این رفتار که در باکتریها دیدهشدهاست، رفتاری جمعی است که باکتریها بعداز رسیدن به چگالی مشخص، شروع به انجام فعالیتی میکنند. سنجش حدنصاب که نوعی رفتار جمعی است به شکلی مشابه در فرایندهایی در تومور سرطانی دیدهشدهاست. در این پژوهش سعی بر آن داشتهایم که با استفاده از ابزار بازیهای تکاملی و درنظرگرفتن ساختار، وجود این رفتار در تومور سرطانی را نشان دهیم. در ابتدا با مطالعه مدلی پایه، با سه فنوتایپ، به بررسی تاثیر ساختار در نتایج تحلیل بازی میپردازیم. سپس با استفاده از معادلات بازتولیدگر نقش تعداد همسایگان هر سلول، و سنجش حدنصاب در تومور را بررسی میکنیم. درادامه، مدل را با چهارفنوتایپ بررسی کرده و نقش سنجش حدنصاب را در آن تحلیل میکنیم. این روند تحلیل و درنظر گرفتن ساختار و رفتار سنجش حدنصاب ما را به نتایجی رساندهاست که از آنها میتوان به عنوان پیشنهادهایی در طراحی پروتکل درمانی استفاده کرد. از طرفی دیگر، اثبات وجود رفتار سنجش حدنصاب در سلولهای سرطانی که برای اولین بار با دیدگاه بازیهای تکاملی ارائه شدهاست، میتواند دیدگاه مناسبی از تعاملات جمعی در تومورهای سرطانی ایجاد کند. و با توجه به وجود این رفتار در باکتریها، میتواند نقش موثری در یافتن راهکارهای درمانی مناسب داشتهباشد. لغات کلیدی : ?- مدلسازی سرطان، ?- سنجش حدنصاب ?- سرطان گلیوما ?- تئوری بازیهای تکاملی با ساختار.