Multiscale approach for bone remodeling simulation based on finite element and neural network computation
本文的目的是建立一个基于有限元分析和神经网络计算的多尺度层次混合模型，将细观尺度（小梁网络水平）和宏观尺度（整个骨水平）联系起来，模拟骨重建过程。由于考虑3D骨小梁水平的全骨模拟是耗时的，在宏观水平上进行有限元计算，并采用训练好的神经网络作为数值装置，用于代替中尺度预测所需的有限元代码。骨力学性能的更新，在宏观尺度上取决于形态组织在介观计算的训练神经网络。使用m-CT和体素有限元网格的基于数字图像的建模技术用于在股骨头中的中尺度水平捕获2 mm 3代表性体积元素。人工神经网络的输入数据是一组骨材料参数、边界条件和施加的应力。输出数据是更新的骨属性和一些骨小梁因子。所提出的方法，据我们所知，是第一个模型，结合有限元分析和神经网络计算，以模拟多级骨适应快速的方式。
2011-07-19 physics.med-ph q-bio.TO
Development of pediatric myeloid leukemia may be related to the repeatedbone-remodeling during bone-growth
急性髓性白血病（AML）和慢性髓性白血病（CML）是由髓系细胞（MCs）发展而来的两种主要白血病。为了解儿童AML和CML发病的原因，我们分析了MC的病因和细胞转化机制。I.对于骨髓腔中的MCs，骨生长过程中反复的骨重建可能是细胞损伤的一个来源。二.作为血细胞的一种，MC可能具有更高的DNA变化的存活率，并且需要获得比组织细胞更少的细胞转化的癌性。三. DNA点突变（PDMs）和染色体改变（CCs）是DNA改变的两种主要类型。CC根据对细胞的影响分为三种亚型：强效CC（GECC）、中效CC（MECC）和中效CC（IECC）。GECC会影响一个或多个基因，并且可以单独触发细胞转化。PDM/MECCs大多数是温和的，并且可以在细胞中积累。一些PDM/MECC有助于细胞转化。AnIECC影响一个或多个基因并参与细胞转化。四.基于II和III，我们假设MC可能有两条转化途径：一条缓慢途径和一条加速途径。慢通路由PDM/MECC的积累驱动。加速路径由PDM/MECC/IECC的积累驱动。通过缓慢途径的转化发生在老年，而通过加速途径的转化发生在任何年龄。因此，CML和儿童AML可能通过加速途径发展，成人AML可能通过两种途径发展。总之，儿童AML和CML的发生可能是MC通过加速途径转化的结果;反复的骨重建和骨生长可能是儿童MC转化的诱因。
2018-04-30 q-bio.CB q-bio.TO
Modeling the Multiple Myeloma Vicious Cycle: Signaling Across the Bone Marrow Microenvironment
多发性骨髓瘤是一种浆细胞癌，导致骨重塑过程失调。我们提出了一个偏微分方程模型，描述了骨髓瘤肿瘤细胞存在下骨重建的动力学。该模型明确考虑了破骨细胞、成骨细胞、前体细胞、基质细胞、骨细胞和肿瘤细胞的作用。以前的模型基于常微分方程，简化假设骨和肿瘤细胞彼此相邻。然而，实际上，这些细胞群被骨髓分开。我们的模型通过包括化学因子在骨髓中的扩散来考虑这种分离，这可以被视为肿瘤和骨骼之间的交流。此外，该模型通过利用“移动边界”来合并肿瘤的生长和骨量的减少。"我们提出了数值模拟，定性验证我们的模型的细胞种群动力学的描述。
2015-11-17 q-bio.CB q-bio.TO
Investigation of the cellular response to bone fractures: evidence for flexoelectricity
最近发现的骨挠曲电（由应变梯度引起的电极化）表明，挠曲电可能在骨骼中具有生理效应，特别是在骨折附近，其中挠曲电理论上最高。在这里，我们报告了一个细胞学研究的裂纹应力和骨细胞之间的相互作用。我们培养MC 3 T3-E1小鼠成骨细胞在仿生微裂纹羟基磷灰石基板，分化成骨细胞，并施加应变梯度的样品。结果显示强烈的凋亡细胞反应，由此机械刺激导致裂纹附近的那些细胞死亡，如活-死和半胱天冬酶染色所示。此外，刺激后两周的分析显示，微裂缝周围的细胞附着和矿化增加，骨钙素表达增加，骨钙素是一种已知可通过体育锻炼促进的成骨蛋白。结果是一致的flexoelectricity发挥至少两个不同的作用，在骨重建：凋亡触发的修复协议，和成骨细胞的骨建设活动的电刺激。
2020-01-24 physics.bio-ph q-bio.TO
Mimetization of the elastic properties of cancellous bone via a parameterized cellular material
骨组织力学特性和骨小梁微结构是决定松质骨生物力学特性的主要因素。人工松质骨微结构，通常由减少数量的几何参数描述，可以被设计成获得模仿天然骨的机械行为。在这项工作中，我们评估了Kowalczyk（2006）引入的参数化微结构模拟松质骨弹性响应的能力。人工微结构与实际骨样品的弹性矩阵和它们的对称类进行了比较。参数化的微观结构的能力，结合占主导地位的各向同性，六边形，四面体和正交对称类的比例存在于松质骨。基于这一发现，设计了两种优化方法，以找到更好地模仿目标天然骨标本的弹性响应的人工微结构的几何参数：最小化弹性矩阵之间的差异的范数的序列二次规划算法，以及最小化对称类分解之间的差异的模式搜索算法。模式搜索方法被发现产生最好的结果。通过对146个骨样本的分析证明了该方法的性能。
2017-07-05 physics.med-ph q-bio.TO
3D hybrid cellular Potts model with a discrete deformable fiber network: modeling cell contraction and extracellular matrix remodeling
Mathematical Institute, Leiden University（莱顿大学数学研究所）；Institute of Biology, Leiden University（莱顿大学生物学研究所）
该研究开发了耦合CPM与离散可变形ECM的3D混合框架，可模拟细胞诱导的ECM重塑，揭示ECM刚度、纤维交联对细胞收缩与基质重塑的影响，为多细胞行为研究提供通用3D平台。
2026-09-03 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Three potential sources of cell injuries of lymphoid cells associated with developments of lymphoid leukemia and lymphoma
类淋巴细胞白血病（LL）和淋巴瘤是从淋巴样细胞（LC）发展而来的血液癌症。为了了解LC细胞转化的原因和机制，我们研究了LC细胞损伤的潜在来源，并分析了DNA变化如何在LC中产生和积累。I.有助于LC细胞转化的DNA变化可在骨髓、胸腺、淋巴结（LN）和/或淋巴组织（LT）中的LC中产生。在LN/LT中，病原体感染可能是LC细胞损伤的主要原因。在骨髓腔中，骨生长和修复过程中反复的骨重建，通过产生有毒物质，可能是造血细胞（包括造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs）和发育中的LCs）受损的原因之一。在胸腺中，胸腺退化和基质细胞的死亡可能是发育中的T细胞的损伤因素。二. DNA点突变（PDM）和染色体改变（CC）是DNA改变的两种主要类型。CC包括数字CC（NCC）和结构CC（SCC）。PDM/SCC的产生可能是DNA断裂时DNA错误修复的结果。NCC的产生是细胞分裂功能障碍的结果。三.重复的细胞损伤和细胞增殖驱动LC和HSC中DNA变化的积累。然而，DNA变化的长期积累主要发生在包括HSC和记忆细胞在内的长寿命干细胞中。总之，LC中的DNA变化是由于重复的细胞损伤和重复的细胞增殖而产生和积累的; LC的细胞损伤的三个潜在来源可能是：重复的骨重塑、长期的胸腺退化和重复的病原体感染。
2018-04-26 q-bio.CB q-bio.TO
Triangles bridge the scales: Quantifying cellular contributions to tissue deformation
在这篇文章中，我们提出了一个一般的框架来研究动态和拓扑结构的细胞网络，捕捉二维组织中的细胞包装的几何形状。这种上皮细胞在多细胞生物体的形态发生期间经历大规模变形。大规模的变形来自许多单独的细胞事件，如细胞形状变化、细胞重排、细胞分裂和细胞挤出。使用基于三角形的细胞网络几何表示，我们得到了大规模材料变形的精确分解。有趣的是，我们的方法揭示了细胞旋转和伸长之间的相关性以及细胞生长和伸长对组织变形的贡献。利用这种三角形方法，我们讨论了果蝇蛹翅发育过程中的组织重塑。
2016-08-03 cond-mat.soft q-bio.TO
Realizing Bone-mass Generation Through a Density Type Theoretical Archetype
研究了人类骨块形成的动态过程，以收集关于以非侵入性方式将这些概念应用于骨折和骨不连愈合的动机的准确理解。成骨细胞、破骨细胞和骨细胞是生成新骨的主要细胞成分，其中激素、蛋白质和矿物质具有潜在的支持作用。以成骨细胞、破骨细胞和骨细胞这三种生物细胞的种群密度为变量，建立了一个理论模型，以一组时间微分方程的形式来模拟骨块生成的动态过程。高相对丰度的骨细胞在渐近规模与中等水平值的成骨细胞和破骨细胞的细胞群表示骨物质的形成，在我们的理论原型。通过解析和数值两种途径对原型进行了研究，得到了一些有意义的结果，并得出了相应的结论。还提出了某些预测性声明，这些声明也可以用于未来的体内临床试验或体外生理实验。
2013-07-22 physics.bio-ph q-bio.QM q-bio.TO
The Small World of Osteocytes: Connectomics of the Lacuno-Canalicular Network in Bone
骨细胞和它们的细胞突起存在于一个大的、相互连接的空隙网络中，遍布于大多数脊椎动物的矿化骨基质中。这种骨细胞腔隙-小管网络（OLCN）被认为在机械传感、矿物质稳态和骨的机械性能中起重要作用。虽然骨的细胞外基质结构在超微结构和宏观尺度上被广泛研究，但缺乏关于细胞网络如何组织的定量知识。使用最近推出的成像和定量方法，我们分析了OLCN在不同的骨类型的小鼠和绵羊，表现出不同程度的结构组织，不仅是细胞网络，但也由细胞沉积的纤维基质。我们定义了许多源自复杂网络理论的稳健的定量度量。这些措施使我们能够深入了解如何有效的网络组织方面的细胞间的运输和通信。我们的分析表明，与来自小鼠的不规则和快速生长的骨组织相比，来自绵羊的规则组织，缓慢生长的骨组织中的细胞网络连接较少，但组织更有效。在统计拓扑特性（每个节点的边，边长和度分布）的水平上，两种网络类型是不可区分的，突出表明，尽管在组织水平上存在明显差异，但在亚细胞水平上骨细胞小管网络的拓扑结构可能与物种和骨类型无关。我们的研究结果表明，在骨形成和矿化过程中，单个细胞自组织成一个大的、相互连接的网络是一种普遍的机制。
2017-02-14 physics.bio-ph q-bio.TO
On the stability of a maturity structured model of cellular proliferation
我们分析了一个非线性数学模型的细胞增殖，其中描述了生产的血细胞在骨髓中的渐近行为。该模型采用两个成熟度结构的偏微分方程的系统的形式，具有成熟度变量的延迟和取决于该成熟度的时间延迟。我们表明，该系统的稳定性强烈依赖于未成熟细胞群体的行为。我们得到了平凡解的全局稳定性和不稳定性的条件。
2009-04-16 math.AP q-bio.CB q-bio.TO
Spatio-temporal structure of cell distribution in cortical Bone Multicellular Units: a mathematical model
骨重建通过局部协调骨吸收细胞（破骨细胞）和骨形成细胞（成骨细胞）以骨多细胞单位（BMU）的形式维持骨骼组织的功能。了解这种结构化单位的出现，骨细胞之间的生化相互作用的复杂网络是必不可少的，以扩展我们的正常骨生理学及其疾病的基础知识。为此，我们提出了一个时空连续体模型，它整合了一些目前已知的成骨细胞和骨细胞谱系细胞之间存在的最重要的相互作用途径。这个数学模型使我们能够测试的意义和完整性，这些途径的基础上，他们的能力，再现个别BMU的时空动态。我们表明，在适当的条件下，实验观察到的结构化细胞分布皮层BMU检索。该模型承认行波样的解决方案的细胞密度与紧密组织的配置文件，对应于一个单一的改造BMU的进展。移动结构内的这些空间轮廓的形状可以与模型的内在参数相关联，例如骨细胞的分化和凋亡率。除了细胞分布外，还可以计算调节因子的空间分布。这为不同的调控因子如何对骨细胞发挥作用，导致细胞空间和时间分离以及功能协调提供了新的见解。
2010-12-06 physics.bio-ph physics.med-ph q-bio.CB
Nuquantus: Machine learning software for the characterization and quantification of cell nuclei in complex immunofluorescent tissue images
确定疾病的基本机制往往取决于组织病理学可视化和定量图像分析。目前，多通道荧光组织图像的分析主要是通过手动测量组织细胞内容物和亚细胞区室来实现的。由于目前的手动图像分析方法是一种繁琐和主观的方法，显然需要一种自动分析技术来处理大规模的图像数据集。在这里，我们介绍Nuquantus（细胞核量化实用软件）-一种新型的基于机器学习的分析方法，它基于复合荧光组织图像中的感兴趣细胞对细胞核进行识别、量化和分类，其中细胞边界不可见。Nuquantus是一个自适应框架，它在存在解剖变异和病理过程的情况下学习完整组织的形态属性。Nuquantus使我们能够对心肌梗死后重塑的心脏组织进行稳健的定量图像分析。Nuquantus可靠地将心肌细胞与非心肌细胞核进行分类，并检测不同细胞类别中的细胞增殖和细胞死亡。Nuquantus提供了创新的计算机化方法来分析复杂的组织图像，大大促进了图像分析，并最大限度地减少了人为偏见。
2015-12-14 q-bio.QM q-bio.TO
A Geometric Tension Dynamics Model of Epithelial Convergent Extension
本文提出上皮汇聚延伸的几何张力动力学模型，揭示肌球蛋白张力正反馈驱动T1转变，并发现组织变形程度受初始细胞堆积有序性限制，成功解释果蝇胚带伸长减速现象。
2024-10-02 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Modelling the order of driver mutations and metabolic mutations as structures in cancer dynamics
最近的工作强调了随机突变在癌症表型发展中的重要作用。我们通过生物信息学数据分析和计算建模方法挑战这一当前观点。并非所有的突变对转移的发展都同样重要。癌细胞从原发肿瘤部位到二次接种部位的存活取决于极少数促进致癌细胞行为的驱动突变的发生以及这些突变发生的顺序。我们引入了一个模型的框架内的细胞自动机，研究代谢突变和突变顺序对癌症干细胞和骨转移性乳腺癌的肿瘤细胞迁移的影响。癌细胞的代谢是其增殖率的关键因素。对癌症突变数据库的生物信息学分析表明，代谢修饰改变构成了一类重要的关键癌症突变。我们的方法模拟了三种类型的突变：驱动程序，其顺序与动态相关，支持癌症生长并从现有数据库中估计的代谢，以及非驱动程序突变。我们的研究结果为不同癌症克隆中驱动突变和代谢突变的顺序如何影响耐药克隆群体的增殖和患者生存提供了定量基础。进一步的数学建模的突变的顺序中提出的运营商。我们相信我们的工作是新颖的，因为它量化了癌症扩散模型中的两个重要因素：驱动突变的顺序和代谢突变的影响。
2017-06-26 q-bio.CB q-bio.QM q-bio.TO
