腫瘤生長調節機制的系統建模及高性能計算方法研究

《腫瘤生長調節機制的系統建模及高性能計算方法研究》是依託華南理工大學，由董守斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：腫瘤生長調節機制的系統建模及高性能計算方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：董守斌
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

腫瘤防治的難點在於腫瘤生長的內在機制和過程不夠清晰。對腫瘤生長根本機制進行建模研究已成為數學界和理論生物界最活躍的研究領域之一。但現今模型過於簡化，只能從巨觀上解釋腫瘤體生長過程，而無法模擬腫瘤細胞微環境中的動態過程。..本項目以研究腫瘤體的生長形成過程、細胞微環境對腫瘤體生長的影響以及藥物抑制方法為核心內容，將重點對無血管腫瘤生長、有血管腫瘤生長、腫瘤生長的動態過程等進行建模，提出基於有限元的多尺度腫瘤生長模型，並研究可用於實體腫瘤模擬的高性能並行計算方法，使得能夠真實全面及快速地模擬腫瘤生長過程和抑制機制。..通過本項目對腫瘤生長微環境、生長過程以及抑制方法的研究，對於了解腫瘤的發展、侵襲、轉移的生物學特性及控制和治療方法具有重大的科研價值和實際意義。

結題摘要

本項目以研究腫瘤的生長形成過程,尤其細胞微環境對腫瘤體生長的影響為核心內容，重點對無血管腫瘤生長、血管腫瘤生長、腫瘤生長的動態過程等進行建模，提出基於有限元的多尺度腫瘤生長模型，並研究可用於實體腫瘤模擬的高性能並行計算方法。項目取得的主要成果包括：（1）提出了第一個基於有限元的腫瘤生長模型並模擬計算了無血管和有血管階段的腫瘤生長，設計和實現了基於該模型的面向大規模高性能計算的計算方法以及實現框架；（2）基於有限元模型，研究了腫瘤生長微環境（microenvironment）對無血管腫瘤生長的影響，設計了腫瘤細胞生長及分裂算法以及並行實現機制，完成高性能並行計算模擬，著重模擬了從單細胞開始的早期無血管腫瘤生長和分裂的生物力學狀態；（3）研究了與腫瘤休眠及復甦（tumor dormancy escape）有關的無血管腫瘤生長飽和機制，特別是生物化學調節和生物力學效應；建立了多尺度細胞模型，基於Potts模型計算模擬了腫瘤的整個生長過程，揭示了腫瘤生長飽和機制的新機理；（4）研究了腫瘤促血管生長（tumor-induced angiogenesis）的機制以及微環境對腫瘤血管生長的影響，建立了新的腫瘤物質擴散以及血管生成的數學模型，分析了腫瘤血管生成對物質擴散及腫瘤生長的影響。項目的核心創新點在於首次在腫瘤生長中引入有限元模型，並建立了基於有限元的腫瘤生長的非線性三維模型來模擬詳細的細胞生長和分裂。相比於經典的Potts等模型，有限元模型的好處在模擬腫瘤生長狀態的同時，可得到腫瘤中各個細胞的詳細生物力學及細胞形態，這為從細胞層次上研究腫瘤生長的細觀機理奠定了良好的基礎。而且我們建立的新的腫瘤血管生成模型，修正了傳統的腫瘤促血管生長因子TAF（Tumor Angiogenic Factor）擴散機理上的不足，考慮了血管生成對物質擴散的影響，可更客觀地反映腫瘤促血管的生成機理。本項目的研究成果為了解腫瘤的發展、侵襲、轉移的生物學力學特性提供了新工具，並為從生物力學角度提出新的控制和治療方法奠定了基礎，具有重大的科研價值和實際意義。