Activation of effector immune cells promotes tumor stochastic extinction: A homotopy analysis approach
在这篇文章中，我们提供了一个癌症非线性模型的同伦解，该模型描述了肿瘤细胞与健康细胞和效应免疫细胞相互作用的动力学。我们应用半解析技术解决强非线性系统-步同伦分析方法（SHAM）。该算法，基于修改的标准同伦分析方法（HAM），允许获得一个参数家庭的显式系列解决方案。通过使用同伦解，我们首先研究了确定性动力学中效应免疫细胞激活的动力学效应，表明增加的激活使系统通过倍周期分岔方案进入混沌动力学。然后，通过将人口统计随机性添加到同伦解中，我们表明，与确定性动力学不同，免疫细胞的激活增加有助于癌症清除，包括肿瘤细胞的灭绝和健康细胞的持久性。我们的研究结果强调了在癌症进展的早期阶段激活效应免疫细胞的疗法的重要性。
2014-11-28 nlin.CD q-bio.CB
Photodynamic therapy influence on anti-cancer immunity
系统的偏微分方程描述肿瘤免疫动力学血管生成考虑。对于空间均质情况，进行了模型的稳态分析。数值模拟了单次光动力学碰撞效应。在免疫反应较强的情况下，我们发现光动力疗法（PDT）可使肿瘤体积显著缩小，并伴有白细胞介素2浓度的增加。相反，弱免疫应答的光动力刺激显示不足以减少肿瘤。这些发现表明，抗肿瘤免疫应答在PDT后的长期肿瘤控制中的重要作用。
2009-12-25 q-bio.CB q-bio.PE
Mathematical modeling to elucidate brain tumor abrogation by immunotherapy with T11 target structure
T11靶结构（T11 TS）是一种从绵羊红细胞中分离的膜糖蛋白，通过增强免疫细胞的功能状态来逆转脑肿瘤诱导的动物的免疫抑制状态。本研究旨在帮助设计更有效的T11靶向结构的脑肿瘤治疗方法。我们提出了一个脑肿瘤（胶质瘤）和免疫系统相互作用的数学模型，旨在设计有效的脑肿瘤治疗方案。该模型包括巨噬细胞，细胞毒性T淋巴细胞，神经胶质瘤细胞，TGF- $β$，IFN- $γ$和T11 TS的相互作用动力学的考虑。系统进行敏感性分析，确定哪些状态变量对给定参数敏感，并根据公布的数据估计参数。计算机模拟用于模型验证和确认，突出了T11靶结构在脑肿瘤治疗中的重要性。
2015-05-15 math.DS q-bio.CB q-bio.TO
Different Strategies for Cancer Treatment: Mathematical Modeling
我们制定和分析一个数学模型，描述免疫治疗和化疗及其组合以及疫苗治疗的影响下，无血管肿瘤的免疫反应。疫苗治疗的效果被认为是模型的参数摄动。在弱免疫应答的情况下，发现免疫疗法和化学疗法都不会导致肿瘤消退到小尺寸，这将低于临床可检测的阈值。数值模拟表明，疫苗治疗的效率取决于肿瘤的大小和免疫系统的条件，以及生物体对疫苗接种的反应。特别是，我们发现，疫苗治疗变得更有效时，使用没有时间延迟，从规定的日期接种手术后，没有初步治疗是无效的。对于强免疫应答，我们的模型预测了疫苗治疗下的肿瘤缓解。我们对连续化疗/免疫、免疫/化疗和同时化疗免疫的研究表明，化疗/免疫序列更有效，而同时化疗免疫更节省。
2008-10-15 q-bio.CB
In silico tumor control induced via alternating immunostimulating and immunosuppressive phases
尽管最近在肿瘤免疫学领域取得了进展，但免疫调节疗法对癌症的成功潜力仍有待阐明。原因之一是缺乏对肿瘤生长动力学和相关免疫系统反应之间复杂相互作用的理解。为此，我们考虑了血管化肿瘤生长的数学模型和相应的效应细胞募集动力学。分叉分析允许探索模型的动态行为并确定导致免疫介导的肿瘤控制的这些参数方案。在这里，我们专注于一个特定的肿瘤逃避制度，涉及肿瘤和效应细胞的浓度振荡缓慢增加和减少的幅度，分别。考虑时间多尺度分析，我们推导出一个解析易处理的映射模型的解决方案到弱负阻尼谐振子。基于我们的分析，我们提出了一个理论驱动的干预策略，包括免疫刺激和免疫抑制阶段，以诱导长期的肿瘤控制。
2015-07-22 q-bio.CB q-bio.TO
Multiscale model for the effects of adaptive immunity suppression on the viral therapy of cancer
溶瘤病毒疗法-使用特异性杀死肿瘤细胞的病毒-是治疗癌症的创新和非常有前途的途径。然而，其治疗效果主要受到宿主对病毒感染的免疫应答的影响。在目前的工作中，我们提出了一个多尺度数学模型来研究免疫反应如何干扰病毒的溶瘤活性。该模型假设细胞毒性T细胞可以诱导受感染癌细胞的凋亡，并且游离病毒可以通过中和抗体灭活或通过先天免疫应答以恒定速率清除。我们的模拟表明，重新编程肿瘤中的免疫微环境可以显著增强免疫活性宿主中的溶瘤病毒治疗。这种重编程的可行途径是原位病毒介导的CD $8^+$ T细胞运动性损害或阻断B和T淋巴细胞募集。我们的理论结果可以揭示病毒载体的设计或新的协议与整洁的潜在影响的临床实践。
2013-02-15 physics.bio-ph q-bio.CB q-bio.TO
Exploring The Contribution of Innate Immune Cells to Breast Cancer Immunotherapy
本研究通过空间分析揭示精英应答者中先天免疫细胞浸润增加，表明先天与适应性免疫系统的协同作用可能是低CPS评分TNBC患者对帕博利珠单抗产生优异应答的关键机制。
2023-07-06 q-bio.CB
Addressing current challenges in cancer immunotherapy with mathematical and computational modeling
癌症免疫疗法的目标是增强患者对肿瘤的免疫反应。然而，有效免疫疗法的设计受到各种因素的影响，包括潜在的免疫抑制性肿瘤微环境，常规治疗的免疫调节作用和治疗相关毒性。这些复杂性可以被纳入癌症免疫治疗的数学和计算模型中，然后可以用于帮助合理的治疗设计。在这篇综述中，我们调查的主要挑战免疫治疗发展，其中包括肿瘤分类，最佳治疗方案和联合治疗设计的伞下的建模方法。虽然相互重叠，但每一项挑战都为建模人员提供了独特的机会，使他们能够利用对模型结果的分析和数值分析以及优化算法作出贡献。我们讨论了随着更多生物学信息的可用而变得越来越复杂的模型的几个例子，展示了模型开发是如何与肿瘤免疫生物学的快速发展相互关联的动态过程。最后，我们对建模者在方法学和生物学方向上的建议进行了总结，这可能有助于使建模者保持在癌症免疫治疗发展的最前沿。
2017-06-06 q-bio.CB q-bio.TO
Balance of Mechanical Forces Drives Endothelial Gap Formation and May Facilitate Cancer and Immune-Cell Extravasation
内皮间隙的形成是癌症和免疫细胞外渗的关键过程，有助于感染期间免疫系统的功能，慢性炎症和肿瘤转移的不利发展。在这里，我们提出了一个随机力学的多尺度模型的内皮细胞单层，并表明，内皮细胞的动态性质导致自发的间隙形成，即使没有干预的迁移细胞。这些间隙优先出现在三个内皮细胞之间的顶点，而不是两个细胞之间的边界。我们量化了这些间隙的频率和寿命，并通过实验验证了我们的预测。有趣的是，我们通过实验发现，癌细胞也优先在顶点渗出，即使它们第一次在边界上停止。这表明外渗细胞，而不是最初向内皮发出信号，可能利用内皮中自主形成的间隙来启动迁移。
2018-11-22 physics.bio-ph q-bio.CB
Quantifying cancer epithelial-mesenchymal plasticity and its association with stemness and immune response
癌细胞在上皮-间充质转化（EMT）期间可以获得一系列稳定的上皮/间充质（E/M）混合状态。这些混合E/M表型中的细胞通常结合上皮和间充质特征，并且通常倾向于作为小簇集体迁移。这种集体迁移的癌细胞在种植转移中起关键作用，并且它们在癌症患者中的存在表明不良预后因素。此外，混合E/M表型中的癌细胞倾向于与干细胞性更相关，这赋予它们肿瘤起始能力和治疗抗性。最近，经历EMT的细胞已被证明可以促进免疫抑制以获得更好的生存。系统地了解混合E/M表型的出现以及EMT与干细胞和免疫抑制的联系将有助于更有效的治疗策略。在这篇综述中，我们首先讨论了最近的努力相结合的理论和实验方法来阐明EMT多稳定性（即在EMT过程中存在多个稳定的表型）和混合E/M表型的属性的机制。接下来，我们讨论了EMT的非细胞自主调控，通过细胞的合作和细胞外基质。之后，我们讨论了可以用于量化EMT频谱的各种度量。我们进一步描述了循环肿瘤细胞簇形成的可能机制。最后但并非最不重要的是，我们总结了最近的系统生物学分析EMT的作用，在收购的干细胞和免疫抑制。
2019-04-16 q-bio.CB q-bio.MN
Design principles of the cytotoxic CD8+ T-cell response
University of Washington（华盛顿大学）；National Cancer Institute（美国国家癌症研究所）；Fred Hutchinson Cancer Research Center（弗雷德·哈钦森癌症研究中心）；Yale University（耶鲁大学）
研究揭示了T细胞反应的设计原则，通过反馈控制机制优化信号反馈，平衡感染清除与免疫病理，为更有效的T细胞疗法提供理论基础。
2026-03-02 physics.bio-ph q-bio.CB
Cancer-driven dynamics of immune cells in a microfluidic environment
目前的工作范围是框架到一个严格的，定量的支架-源于随机过程理论-两组实验，旨在推断白细胞对癌细胞的自发组织，即小鼠脾细胞与B16小鼠肿瘤细胞，并嵌入在一个“特设”微流体环境开发的LabOnChip技术。在前者中，使用了来自敲除（KO）小鼠的脾细胞，这些小鼠被工程化以沉默转录因子IRF-8，IRF-8对几种免疫群体的发育和功能至关重要。在这种情况下，淋巴细胞和癌细胞表现出较差的相互交换，导致无法协调或建立针对黑色素瘤的有效免疫应答。在第二类测试中，野生型（WT）脾细胞能够通过物理相互作用与肿瘤细胞相互作用并协调针对肿瘤细胞的应答。细胞移动的环境由两个不同的腔室构成，分别含有黑素瘤细胞和脾细胞，通过毛细血管迁移通道连接，允许白细胞从它们的腔室向黑素瘤腔室迁移。我们收集并分析了关于细胞运动性的数据，发现IRF-8 KO细胞的第一集合进行了纯粹的不相关随机游走，而WT脾细胞能够进行奇异漂移的随机游走，其在细胞集合上平均，在整个系统的直线弹道运动上崩溃。在更精细的研究水平上，我们发现IRF-8 KO脾细胞移动相当均匀，因为它们的步长呈指数分布，而WT对应物显示出定性上更广泛的运动，因为它们沿黑素瘤方向的步长呈对数正态分布。
2014-02-03 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.CB
On the fractional cell kill law governing the lysis of solid tumors
我们目前在计算机模拟和数学分析支持几个假设，解释的饱和度表示的分数细胞杀伤法，管理细胞毒性CD8 + T细胞（CTL）的肿瘤细胞裂解。为了深入了解出现在这样的法律的参数的意义，一个混合的细胞自动机模型描述的时空演变的肿瘤生长及其相互作用与细胞介导的免疫反应。当CTL有效地根除肿瘤细胞时，该模型预测肿瘤的形态与它们被裂解的速率之间的相关性。随着效应细胞的有效性降低，饱和逐渐消失。这一限制进行了彻底的讨论，并提出了一个新的分数细胞杀伤。
2016-08-29 nlin.CD q-bio.CB q-bio.TO
Mathematical Model of Colorectal Cancer with Monoclonal Antibody Treatments
我们提出了一个新的数学模型的结直肠癌生长和单克隆抗体（mAb）治疗的反应。尽管前景看好，但大多数mAb药物仍处于试验阶段，目前批准使用的药物给药方案的可能变化尚未得到彻底探索。为了研究当前mAb治疗方案的有效性，并测试假设的治疗策略，我们创建了一个非线性常微分方程（ODE）系统来模拟结直肠癌的生长和治疗。该模型包括肿瘤细胞，宿主免疫反应的元素和治疗。模型治疗包括化疗药物伊立替康和两种单克隆抗体之一-西妥昔单抗，这是FDA批准的结直肠癌，帕尼单抗，这仍在临床试验中进行评估。该模型结合了患者特定的参数，以解释免疫系统强度和抗肿瘤药物疗效的个体差异。我们已经模拟了治疗方案的虚拟患者组的临床试验数据，使用一系列生物学合理的患者特定参数值。我们的结果与这些方案的临床试验结果非常吻合。我们还模拟了实验给药方案，并发现了新的方案，在我们的模拟中，比目前的治疗方案更有效地减少肿瘤大小。此外，我们研究了系统的平衡和参数值的敏感性。在没有治疗的情况下，肿瘤演变最受内在肿瘤生长速率和携带能力的影响。当引入治疗时，肿瘤生长受药物特异性PK/PD参数的影响最大。
2013-12-11 q-bio.CB
Prospects of using Antagonist Histamine H2-Receptor (Cimetidinum) as Adjuvant for Melanoma Biotherapy Treatment
采用小鼠B16 F10黑色素瘤模型，研究了组胺H2受体西咪替丁（CM）通过调节免疫应答来提高抗肿瘤生物治疗效果。结果表明，通过添加CM（剂量为25 mg/kg，每天5天）的抗肿瘤全细胞GM-CSF生产疫苗进行的皮肤黑色素瘤生物治疗增加了疫苗接种的预防效果。33%的小鼠在观察的60天内没有肿瘤生长。动物的平均寿命超过对照组达68%。使用CM组合的生物化学疗法并不提高治疗效果，然而，在单药治疗的情况下，注意到具有发展的肿瘤的小鼠中平均寿命增加和转移过程减少的趋势。所获得的数据提供了研究CM作为皮肤黑色素瘤疫苗治疗的佐剂的进一步应用的便利，并且也提供了验证生物体对复杂的生物化学疗法的免疫状态的必要性。
2011-10-12 q-bio.CB q-bio.TO
Vitamin D sensitivity to the immune responses and autoimmunity: A chemical network model study
虽然维生素D被认为参与了大量的免疫反应，但我们对这些过程在细胞水平上的理解仍然处于起步阶段。我们开发并求解了一个粗粒度的动力学网络模型，以量化维生素D的变化对人体免疫力的影响。该方程组解释了活性和非活性维生素D、抗原呈递细胞、效应T细胞、调节性T细胞和病原体之间的已知相互关系。得到了时间相关解和稳态解。方程组的时间依赖性解揭示了在维生素D存在下免疫应答受到相当强的调节。我们定量地发现，低于活性维生素D浓度的最佳水平对应于弱调节，其中一旦病原体/抗原进入体内，免疫应答的性质将是较少的调节，因此更具侵略性或炎症性。我们模型的稳态解表明，维生素D增强了免疫系统的耐受水平，从而增加了对自身免疫性疾病的抵抗力。我们的模型和伴随的数值分析揭示了免疫力的另一个重要方面：虽然极低水平的维生素D可能导致自身免疫反应的风险增加，但过量（毒性）水平会引起过大的耐受反应，导致肿瘤和癌细胞生长的风险增加。
2013-04-26 q-bio.CB q-bio.MN
A Fast Second-Order Explicit Predictor-Corrector Numerical Technique To Investigating And Predicting The Dynamic Of Cytokine Levels And Human Immune Cells Activation In Response To Gram-Positive Bacteria: Staphylococcus Aureus
本文发展了一种二阶显式预估-校正数值方法，用于求解细菌金黄色葡萄球菌（S. aureus)具有良好的抗菌活性。该算法至少具有零稳定性和二阶精度。分析人体对某些抗原的反应的数学建模工作已经预测了广泛的细胞和细胞因子的浓度。本研究建立了一个细胞因子-细胞因子耦合模型，用于预测革兰氏阳性菌S.金黄色的包括肿瘤坏死因子α、白细胞介素6、白细胞介素8和白细胞介素10，以评估巨噬细胞释放的细胞因子与S.金黄色葡萄球菌抗原。常微分方程用于模拟细胞因子水平，而细胞应答通过偏微分方程来模拟。两种组分之间的相互作用提供了更稳健和完整的免疫激活系统。数值模拟结果表明，低浓度S.金黄色葡萄球菌用于测量细胞活化和细胞因子表达。数值实验显示了人类免疫系统对不同病原体感染的反应。此外，数值算例表明，新方法比文献中讨论的非线性方程组的一大类统计和数值格式更快、更有效，并且可以作为一般初边值问题的积分的稳健工具。
2023-03-03 cs.NA math.NA q-bio.CB
Relational persistent homology for multispecies data with application to the tumor microenvironment
提出基于Dowker复形和Witness复形的关联持久同调方法，用于分析肿瘤微环境等多物种数据的空间关系，克服了传统PH的局限，成功提取了预测预后的免疫表型等生物学见解。
2023-09-12 math.AT q-bio.CB q-bio.QM
The Cancer Diaspora: Metastasis beyond the seed and soil hypothesis
癌细胞是逃离了原发肿瘤中原始栖息地的限制，还是被其家园生态位的生态变化所迫？用细胞从原发器官到靶器官的简单单向迁移来描述转移是一个不足以涵盖癌症扩散细微差别的概念。流散是指人们离开已建立的家园。到目前为止，流散一直是社会科学家使用的一个独特的人类术语，然而，流散概念转移的应用可能会产生新的生物学见解以及治疗范例。离散范式考虑并模拟了几个变量：原发性肿瘤微环境的质量，个体癌细胞迁移者和迁移群体的适应性，癌症和宿主细胞在癌症部位之间的双向迁移率，以及建立转移部位的靶微环境的质量。生态科学原则可以应用于癌症散居地，以开发新的治疗策略。例如，生态陷阱，导致物种灭绝的栖息地，可以被开发来吸引癌细胞到一个地方，在那里它们可以更好地暴露于治疗或免疫系统的细胞，以改善抗原呈递。将散居的社会科学概念与生态和人口科学概念相结合，可以为癌症领域提供信息，以了解肿瘤发生和转移的生物学，并激发新的治疗思路。
2013-08-08 q-bio.CB q-bio.PE q-bio.TO
Crawling migration under chemical signalling: a stochastic particle model
细胞迁移是生理现象如免疫应答和形态发生中涉及的基本过程，而且也是病理过程如肿瘤转移的发展中涉及的基本过程。这些功能得到有效保证，因为细胞是适应其环境的主动系统。在这项工作中，我们认为一个迁移的细胞作为一个活跃的粒子，其细胞内的活动是负责运动。这种系统已经在先前的模型中建模，其中细胞的突起活动由随机马尔可夫跳跃过程描述。该模型被证明能够捕捉到观测轨迹的多样性。在这里，我们添加了一个描述的影响，外部化学吸引力的信号上的突起动力学，这可能会随时间而变化。我们证明了所得到的随机模型是一个适定性的非齐次马尔可夫过程，并提供了不同设置中的细胞轨迹，说明了信号对长期轨迹的影响。
2018-08-01 math.PR q-bio.CB
Mesenchymal stem cells as carrier cells to enable effective intratumoral delivery of oncolytic virus for oncolytic virotherapy: a systematic review
溶瘤病毒可以是天然存在的或基因工程改造的，是一类优先感染和破坏癌细胞的病毒。由于它们的选择性，它们优于传统的化疗和放疗，后者都有影响非靶细胞并引起不必要的不良副作用的倾向。溶瘤病毒疗法是一种类型的癌症治疗，其中溶瘤病毒被故意引入到受癌症影响的患者中，以便使它们以类似于化学疗法但具有更大程度的选择性的方式局部或全身感染并破坏癌细胞。多项研究表明，溶瘤病毒疗法在体外是有效的，但由于该方法的主要局限性，体内结果仍然不明确：治疗剂递送到其靶标的效率低下，这受到免疫系统的严重影响。在这里，我们建议通过利用癌症研究中的最新发现来克服这种限制：载体细胞。通过利用它们的促肿瘤活性，间充质干细胞可以通过充当针对其靶点的溶瘤病毒的载体而用于癌症治疗。这种方法直接解决了常规溶瘤病毒疗法的局限性，其中溶瘤病毒在全身施用后通常递送不良。
2022-04-25 q-bio.CB q-bio.TO
