医学信息学解锁26（2021）100750泌尿系肿瘤和膀胱癌发生、发展及集体侵袭Joao Carvalho，Valeria Lopes，Rui Travasso科英布拉大学物理中心，物理系，科英布拉，葡萄牙A R T I C L E I N F O保留字：膀胱癌细胞Potts模型集体侵袭细胞粘附细胞力学癌症治疗A B S T R A C T膀胱癌是一种常见的癌症，复发率高，总体监测和治疗费用高。它开发和测试了一个三维的基于代理的计算模型的泌尿系统，一个专门建造的细胞波茨模型，以描述一个健康的泌尿系统和膀胱癌的启动，发展和侵袭阶段。这项工作的重点是确定肿瘤细胞可以通过机械手段穿过基底膜并侵入膀胱固有层的条件。它展示了癌细胞的特定机械特性，如它们的刚度和对邻近细胞的粘附性，在很大程度上决定了从非侵入性肿瘤转变为侵入性肿瘤的可能性。特别地，显示了肿瘤细胞与相邻细胞和/或细胞外纤维的增加的细胞粘附如何驱动集体迁移，增加肿瘤生长速率及其侵袭能力。这些物理特性可以作为潜在的治疗靶点来控制肿瘤的生长和向更危险的方向发展1. 介绍膀胱癌[1]是人类最常见的肿瘤类型之一，并且呈现出更多的复发和诊断，监测和治疗的累积成本。膀胱癌最重要的风险因素是吸烟、饮食（低水合作用或食用加工肉类和动物蛋白）、年龄（诊断时的中位年龄为73岁）、环境因素或处理特定化学品（如芳香胺）。主要的组织学类型是尿路上皮癌。尿道上皮[2]是衬在膀胱和相关尿路上的复层上皮。它分为三个主要的细胞层，具有特定的特征：基底细胞层，中间层（一个或多个层）和表面或顶端层，包含伞细胞。基底层包含基底细胞，并与基底膜接触，基底膜将尿道上皮与基质（膀胱背景下的固有层）分开。最后一层与尿液接触，由大的六边形细胞构成，伞细胞，利用其强大的紧密连接作为化学屏障[3]。膀胱癌有一个非常复杂和多样的演变。然而，在非常简化的观点中，在第一阶段，癌开始为非肌肉侵入性膀胱癌，包括原位癌（CIS）或乳头状非侵入性肿瘤，其中细胞的异常增殖限于尿道和膀胱腔。在其他条件下，肿瘤可以成为侵入性的，在那里它穿过基底膜并侵入固有层。这种渗透允许细胞靠近营养物和氧源（由灌溉基质的毛细血管网络提供），并具有生长和增殖的空间。在接下来的阶段，肿瘤可能变得更具侵袭性（肌肉浸润性膀胱癌），当它侵入毛细血管时，可能导致转移性集落的生长[4]。即使未经治疗的低级别癌在罕见的情况下可以演变成侵袭性的，这项工作的重点是高级别癌和涉及其可能进展为侵袭的相关物理机制。遗传和表观遗传修饰可能导致组织和细胞特性的改变，从而导致更具攻击性的行为。与之前的文章（CarvalhoJ等人[5]）一样，这项工作背后的主要动机是更好地理解膀胱癌中存在的侵袭机制，开发了一个简化的计算模型，现在是三维的，包括相关的生物学，解剖学和组织学信息。重点放在机械相互作用的细胞与它们的附近，对跨的基底膜和固有层的入侵，作为一种替代的生化降解的基底膜纤维。此外，几个假设进行了测试，寻找可能的治疗干预，以阻止细胞入侵。 集体细胞迁移和侵袭与某些类型的癌症有关，缩略语：CIS，原位癌;CPM，细胞Potts模型; MMP，基质金属蛋白酶; TC，肿瘤细胞∗ 通讯作者。电子邮件地址：jcarlos@uc.pt（J. Carvalho），valeria.b. gmail.com（V. Lopes），ruit@uc.pt（R.Travasso）。https://doi.org/10.1016/j.imu.2021.100750接收日期：2021年8月27日;接收日期：2021年9月24日;接受日期：2021年9月26日2021年10月2日网上发售2352-9148/©2021的 自行发表通过Elsevier 公司这是一个开放接入文章下的CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。可在ScienceDirect上获得目录列表医学信息学期刊主页：www.elsevier.com/locate/imu卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007502⟨ ⟩∑∑������（表1初始单元格的数量和尺寸。这些值改编自文献中给出的值，如[16- 18 ]。类型层数单元格数长度（μm）长度（μm）长度（μm）基础1 2304 10 10 10中间体3雨伞1 36 80 10 80其中 生物系统的计算模型[7]被用来简化复杂的真实微环境，包括几种不同的细胞类型，以及每一步涉及的相关生化过程。然而，始终存在这样一个问题，即这些过程和参数是否具有足够的精确度，以用于模拟具有高度复杂和复杂的生物和物理机制的系统[8]。尽管如此，与计算模型，它是可能的，以验证或反驳机械概念，并提供线索，新的实验和/或新的方法，在诊断和治疗水平。此外，许多不同的参数值和模拟条件可以在一个快速和经济的方式进行测试，节省了重要的实验在体外和体内资源。目前还没有太多的计算机三维模型来描述癌症的发生和发展，而且据我们所知，还没有一个模型可以描述尿道癌和膀胱癌的演变。目前的工作是基于在以前的文章中描述的二维模型（CarvalhoJ等人[5]）。使用随机方法，细胞Potts模型（CPM），来跟踪肿瘤生长并观察条件其中肿瘤变得具有侵袭性，并探索当前和提出的治疗方法对肿瘤演变和侵袭性的影响。这些模拟也被用来提出新的治疗靶点。与CarvalhoJ等人[5]中描述的二维模型相比，本模型允许具有更接近现实的泌尿系统描述，并且更好地描述膀胱癌起始中的重要步骤和驱动早期阶段的机制膀胱肿瘤的发展。在接下来的部分中，模型将 随后进行介绍和讨论更多相关的测试和结果最后一部分是得出一些结论。2. 计算模型设计并开发了三维CPM [9系统动力学中涉及的细胞过程是按照[5，12]中描述的先前模型实现的，但将其从二维扩展到三维。该模型描述了一个放松的膀胱尿道，基于解剖学和组织学图像，不同类型的细胞排列规则，Fig. 1. 尿道和邻近组织的初始状态的3D视图。 顶部上 在伞细胞层（绿色）中有尿液（未显示），在其下方有三个中间细胞层（浅黄色），最后是基底细胞层（深蓝色）。基质（未显示）由五个毛细血管（红色管）穿过。浅蓝色表示非常薄的基底膜，将基质与基底层分开。本实施例说明了健康的尿路上皮，并且没有肿瘤细胞。 轴定义、方向和尺寸（以体素大小为单位，对应于2 μm）也显示出来。(For对该图例中颜色的参考的解释，读者可参阅本文的网页版。系统的演化是随机的，它由系统的所谓哈密顿量（一种类似能量的函数）调节[9]。能量值与每个特定细胞的形式和分布相关联在每个模拟步骤中，以随机方式选择与域中的晶格点的数量一样多的体素改变尝试（从一个体素状态到其相邻体素状态之一在这些尝试中的每一个中，选择随机体素（指定为源）和随机邻居（称为目标）（考虑摩尔邻居，在3D中具有26个邻居）。估计两种配置的能量差（在目标体素标签改变为源体素标签之后和之前的状态之间）。如果n≤0，则接受该体素状态复制尝试，或者在如果α> 0，则接受的概率为α−α。当体素如果允许改变，则源单元获得一个体素，而目标单元失去一个体素。与[5，12]中提出的CPM类似，哈密顿量由三个贡献组成：一个处理细胞-细胞粘附能，第二个建立细胞的目标体积，最后一个指定细胞表面积的目标值。能量哈密顿量则由下式给出=粘附力+体积+面积 =∑���（（））（（））���（1−������（）������）层次。在域的下侧，基质包括五个平行的（）下一页������（⟨������ ⟩（）下一页一毛细血管，并通过基底与尿道分开膜的 尿道由五层四种不同的细胞类型。与膜接触的是一层小的基底膜，+=1���������（（）−���������（2+=1������A（A（）− A������（2（一个）细胞[13这一层之后是三层中间层，由基底细胞当它们失去与基底膜的接触顶层是由大而平的伞状细胞组成，与尿液接触初始不同细胞类型的数量和尺寸在表1和图1中给出。图1描绘了在模拟的起始点处的尿路上皮和周围组织（健康的尿路上皮，没有肿瘤细胞）。CPM构建在立方体网格中，叠加在平行六面体域上，每个单独的单元由晶格位点（体素）的子集组成，所有这些都具有相同的标签号（对应于单元ID号）。细胞间质晶格位点被指定为间质液（最初没有），由细胞运动或死亡产生在哪里������' 是每体素的粘附能，在类型1和“0”（数值见表2）。对所有体素的求和表示对所有体素的求和，并且对于每个体素，对它们的所有第一邻居的求和（摩尔邻域，具有周期性的边界条件，并且固定边界为π和π）。���所有的和都包含在系统细胞（在本CPM中，毛细血管、基底膜和尿液也被认为是细胞）。参数λ（λ）表示细胞体积偏离其目标体积的能量损失. 类似地，ΔA（Δ B）描述了关于a的偏差的能量成本���将表面积从其目标值A缩小。 细胞���的表面积通过计算与另一个细胞接触的细胞体素的数量来确定。请注意，最后一个条件与细胞有关，卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007503表2常规CPM参数。表3细胞参数值体素尺寸2 μm类型1（arb.单位）目标体积（μm3）���Arb.单位）靶面积（μm2）蒙特卡罗阶梯（MCS）1天细胞-培养基能量成本= 1.8���������������������Cell–cell形状，仅适用于具有扁平形状的两个组成部分，即伞细胞和基底膜。模型中与每种细胞类型相关的参数标准值见表3。请注意，������′、���（���）和���A（���）参数都以任意能量单位给出，对于细胞的体积和面积，只有相对值是相关的。一般模型参数在表2中给出，并且在泌尿外科部分的本实施方式中，使用尺寸为480 μm（mm）× 400 μm（mm）× 480 μm（mm）的三维网格。细胞再现真实系统的观察和测量，例如体积和面积能量振幅的不同细胞类型的相对重要性及其动态。在真正的泌尿系统中，不同类型的细胞这是干细胞不对称分裂成基底细胞和干细胞的结果。随着细胞从基底膜移动，在尿道上皮上更高，它首先分化为中间型（当它失去与基底膜的接触时），然后分化为伞型（当与尿液接触时）[21，22]。这种干细胞有丝分裂随后分化的过程维持了系统稳态，但在本模型中没有再现，因为它会引入不必要的复杂性。无论如何，没有细胞死亡和随后的干细胞不对称增殖，每种类型的细胞数量保持近似恒定。例外的是肿瘤细胞，其可以体积生长并增殖，然后它们的数量随着时间的推移而增加（在没有任何治疗干预的情况下）。 在肿瘤发展过程中，当健康细胞的体积减少到低于规定的限度时，健康细胞可能会由于肿瘤的过度压力而死亡。 沿着模拟，正常细胞的分化序列被再现，其中与基底膜接触的细胞具有 基础表型，当与尿液接触时，它分化为伞形表型否则，这些细胞具有中间表型。膀胱癌的发生和演变的模拟运行从放置在其中一个肿瘤细胞中心附近的单个肿瘤细胞开始。 五个细胞层，取代一个健康的细胞。随着时间的推移，肿瘤细胞以对称模式增殖，平均细胞周期持续时间为24天[18，20]，标准差为3天。这种连续的过程导致肿瘤体积的指数增加，压力被施加在邻近的细胞和组织中（仅模拟无血管肿瘤）。在肿瘤细胞增殖周期期间，其靶体积线性增加，直到达到其初始靶体积的两倍。然而，肿瘤细胞只有在满足两个条件时才能增殖：如果它的体积足够大（大于非增殖目标体积的1.8倍，它需要在其附近具有或创造空间以生长），以及如果它的生命自创建以来大于增殖时间限制（平均值周围的高斯分布）。如果它满足这些条件，细胞会沿着垂直面或水平面中较小的一个对称地一分为二。有丝分裂后，每个子肿瘤细胞具有表3中所示的初始靶体积和重置为零的时间计数器，之后重复该过程，从靶体积的时间线性增加开始，直到其加倍。基质5 × 1072.162 × 107基底膜2.4 × 1039.216 × 1051.5 × 1094.608 × 105基底细胞0.75 ×1031 × 103-中间体2.4 × 1038 × 103雨伞2.4 × 1036.4 × 1041 × 1021.6 × 104尿2.4 × 1035.023 × 107肿瘤3 × 1031 × 103电容1 × 1051.92 × 105图二. 模拟500天后带有肿瘤（橙色）的尿道炎示例。肿瘤开始于伞层，呈绿色。深蓝色平面显示基底细胞。图中未显示中间细胞和间质，间质中有毛细血管（红管）穿过。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版3. 结果利用计算机模拟膀胱癌和尿道癌的发展过程，模拟不同条件下肿瘤的发展过程。根据其扩张阶段和生长位置，膀胱癌被分类为CIS [23最常见的类型是乳头状，即使它是，在一般情况下，风险，它可以演变成危险的侵入型。3.1. 肿瘤体积和侵袭性对起始层的依赖性作为模拟的参考组，使用如表2和3中所示的标准参数值模拟肿瘤生长当模拟停止时（到第500天），肿瘤大小和形状的示例如图所示。2为伞层上的初始肿瘤细胞。在这种情况下，肿瘤很大，呈乳头状（侵入尿液所占据的空间）。如果第一个肿瘤细胞在细胞层的顶层，特别是在如实施例中所示的伞处，它具有更多的生长空间（阻力较小的培养基），乳头状肿瘤生长更快并变得更大（对于相同的发展时间）。由于来自邻近细胞和膜的压力和阻力，在更内层（更接近基底膜）中开始的肿瘤生长较慢。在基底细胞层启动的细胞，随着肿瘤增大，应力增加，更容易突破基底膜，并侵入间质。由于肿瘤细胞靶体积的增加和增殖，由肿瘤体积的扩张产生的压力足以使肿瘤破裂。卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007504图三. 侵袭性肿瘤（穿过基底膜并与基质接触）和乳头状肿瘤（1生长在伞细胞层的顶部上方），中间图，以及肿瘤体积进展（右图），作为500天长模拟的模拟时间的函数跑步。显示了在不同细胞层（基底层、第二中间层和伞层）中起始的肿瘤的分布。显示了每种条件下96次运行的平均值，概率是11天的移动平均基底膜，允许肿瘤细胞侵入。请注意，本模型关注肿瘤细胞侵袭的物理机制，不包括基质金属蛋白酶（MMP）引起的基底膜生化降解[29]。本工作主要研究了基底膜附近肿瘤体积增大导致细胞压力增加和空间不足，从而决定间质侵袭的主导因素。图3.肿瘤侵袭的概率（穿过 基底膜并与基质接触），其成为乳头状肿瘤（生长在伞上方）的可能性细胞层，进入膀胱内部空间），和肿瘤体积， 作为时间的函数（这些图和下面的图都显示了每种条件下96次独立运行的平均值）。侵袭被定义为肿瘤细胞和基质之间存在接触的情况，这意味着基底膜被破坏。如果肿瘤与尿液接触并且其任何部分高于初始伞层的顶部，则将其归类为乳头状肿瘤。由于系统演化是随机的，细胞体素的不断膨胀和收缩使得这些事件是可逆的。该图显示了随时间的明显总体增加趋势，但可能在两个方向上发生变化（浸润和乳头状概率随时间的增加和减少，在以下测试中更清楚）。 对于每个时间步，概率被估计为具有侵袭或乳头状发作的运行次数与运行总数的比率，并且图显示11天的移动平均值以减少随机临时变化的影响。可以清楚地看到，侵袭概率强烈地取决于肿瘤起始的层（所有肿瘤细胞具有相同的性质）。健康细胞越接近基底膜转变为肿瘤细胞，肿瘤变得具有侵袭性的可能性就越大。在这些模拟中，如果初始肿瘤细胞是伞细胞而不是基底细胞，则侵袭开始平均延迟超过一年，并且在第500天的侵袭概率降低几乎3倍对于乳头状肿瘤，正如预期的那样，发生相反的情况：如果肿瘤在顶层（伞层）上发生，则乳头状肿瘤出现较早。另一方面，如果肿瘤开始于更内层，更接近基底膜，则肿瘤会在更晚（长达6个月）变成乳头状。由此可见，在膀胱最内层（基底层）发生肿瘤转移的危险性：它很可能在乳头状肿瘤出现（更容易检测）前几个月就侵入间质。 关于肿瘤大小，很明显，空间是肿瘤的严重限制。生长（细胞体积增加和增殖），起源于尿道上皮内层（基底层和中间层）的肿瘤增加较慢。在这项研究的结论中，毫不奇怪地发现，肿瘤的起始位置可能在其未来的进展中至关重要。它强烈地决定了进化的初始阶段，如果肿瘤开始靠近基底膜，则肿瘤生长明显较慢。该模拟显示，初始肿瘤细胞位置也决定了病变风险，在侵入固有层之前超过9个月，在泌尿系统顶层中开始的肿瘤变得可见，然后可检测为乳头状肿瘤。相反，发生在基底细胞中的肿瘤转变，中间细胞层阻碍到达乳头状期，并且这比基质侵入晚得多。由于伞层更多地暴露于溶解在尿液中的致癌化学物质， 更可能的是肿瘤起始于该层，然后开始乳头状肿瘤。3.2. 细胞细胞的刚度或对压缩的机械阻力的量度���������它与肿瘤细胞生长的能力相关，因为目标体积随时间增加，并对相邻细胞，组织或纤维施加压力。数值越高，就意味着它越难压缩，通过推开或压缩与之接触的较软细胞，它可以更快地到达目标体积。因此，对于肿瘤细胞来说，它与其生长和增殖的能力相关。在泌尿系统肿瘤模型中，肿瘤细胞的α（β）值的变化对所有肿瘤生长可观察值具有强大的影响。对于在基底层上开始的肿瘤，其生长更快，具有更高的侵袭概率，并且对于增加的值，更早达到乳头状期。肿瘤细胞（tumor cell）���如图（4）肿瘤体积随肿瘤细胞数的增加而明显增大。���从这些试验中可以得出结论，它对于 通过肿瘤细胞和组织细胞及纤维之间的机械相互作用。肿瘤细胞（肿瘤细胞）增加17%会导致更危险的肿瘤，发展更快，突破基底膜的可能性更高。相反，降低肿瘤细胞的硬度会产生一个更具包容性的肿瘤，侵袭性更小，生长更慢（大约是肿瘤细胞减少17%的两倍）。���卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007505||见图4。 作为模拟函数的浸润性肿瘤概率（左）、分类为乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积进展（右）时间，对于不同的Δ T（肿瘤细胞）值，肿瘤细胞（TC）靶体积条件的幅度对系统哈密顿量的影响。最初的肿瘤细胞位于基底层层.误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。概率是a 11天的移动平均值。这一结果是一个可能的治疗靶点的线索。如果有可能为了靶向负责肿瘤细胞机械特性的途径，可以想象，它将降低膀胱癌的侵袭性和生长速率。另一个可能的目标是增加基底膜和/或基质机械阻力。然而，该试验没有证实这一假设，因为即使将基质硬度增加了一个巨大的因子（200），侵袭和乳头状概率也没有明显的变化，并且仅在第500天观察到肿瘤体积减少，小于1.7倍（见图5）。基底膜（basal membrane）的值增加1000倍，导致肿瘤侵袭性的微小变化。3.3. 肿瘤细胞粘附和集体迁移如实验所示，维持或增加肿瘤细胞与邻近细胞的粘附与肿瘤细胞的集体侵袭相关。这种扩张是由于肿瘤生长得更快，排列更紧密，这可以用本模型模拟。肿瘤和组织细胞之间的粘附增加，粘附能量参数的降低导致更快和更具侵袭性的肿瘤，并且这在膀胱癌生长中被探索。在图6中显示，减少肿瘤细胞与其它细胞和组织之间的粘附以明显的方式导致肿瘤生长速率以及其侵袭概率的降低。随着肿瘤生长缓慢，它也延迟了乳头状的出现。当肿瘤细胞粘附增加时，情况相反，观察到肿瘤生长更快，侵袭概率更高。这是一种集体侵袭的现象，此时肿瘤细胞增加了它们对邻近细胞和组织的粘附，并且作为一个整体，能够提高它们对微环境的压力。当肿瘤在伞层开始时，侵袭概率也显著增加，并且开始得更早（见图7），并且再次生长得更快。在未示出的额外测试中，对于在基底层起始的肿瘤，如果肿瘤细胞粘附仅增加到细胞（基底、中间和伞），则侵袭概率变化非常小，仅其更早地开始发展乳头状形状并且体积增加更快（与标准参数值相比）。另一方面，如果仅增加肿瘤细胞与非细胞成分（基底膜、基质、尿液）的粘附，则侵袭概率和肿瘤体积增加，但不增加肿瘤细胞的粘附。达到乳头状形状的可能性。总之，肿瘤细胞与其他细胞或微环境纤维粘附的增加，增加了其运动性、生长速度和侵袭邻近组织的能力。因此，改变肿瘤和组织细胞之间的粘附可以是控制肿瘤生长的良好治疗目标，如果可以靶向该参数背后的生物学机制。在哈密顿量上引入趋化项[4，30 例如 一 增长 因子 或 氧），与 的 格式chemot=−scinc（−scinc + 1），其中是所考虑的体素的垂直位置，scinc= 66 μm是毛细管平面的平均高度，以及������趋化性振幅为100时，结果没有显著变化。即使在这种大的趋化性幅度下将肿瘤细胞驱动到毛细血管（用于营养物和氧气），也可以看到在与其他细胞的低粘附的条件下从伞层另一个相关测试是使用刚性较小的肿瘤细胞检查细胞粘附对肿瘤演变的影响。研究表明，硬度较低的细胞具有较高的致瘤性[31]。然后，肿瘤细胞刚度的替代参数，TC（TC），从3000减少到2300，而其他类型的细胞保持2400的值。如图8所示，如图8所示。 4、肿瘤以较低的速度生长，并降低其侵袭的可能性（蓝线）。但是，如果癌细胞与相邻细胞的粘附增加，由于集体入侵能力的增强，这些细胞就会恢复3.4. 降低肿瘤细胞增殖率一种直接可行的疗法是降低肿瘤细胞增殖率[18，20]，这是一种非常有效和简单的策略，能够降低肿瘤生长率及其侵袭概率。图9显示，通过将增殖时限从24天增加到36天或增加到48天（其通过增加细胞周期持续时间有效地降低细胞增殖速率）具有非常显著的影响 在第500天的肿瘤体积中，以及在其侵入能力中，虽然不那么显著但仍然有价值。随着肿瘤生长速度的减慢它建立了一个较小的压力，导致基底膜应力的减少，因此，在其破裂的可能性。卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007506图五. 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），对于不同的λ（基质）值，基质的哈密顿目标体积条件的幅度。最初的肿瘤细胞位于基底层上（见下文）。详细信息）。误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。出概率11天的移动平均值。见图6。与标准条件（红色虚线）相比，在肿瘤细胞与其他类型细胞的粘附能量的不同值（注意，较高的能量意味着较低的粘附）下，作为模拟时间的函数，导致侵袭性肿瘤（左）和开始乳头状肿瘤（中）的概率以及肿瘤体积演变（右）线，= 2.55）。在其中一条（蓝线）中，能量是= 2.30，对于黑线= 2.81和绿线= 3.06。最初的肿瘤细胞位于基层（详见正文）。误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。概率是11天的移动平均值。(For关于本图图例中颜色的解释，读者可参考本文）。3.5. 目前的治疗方法：肿瘤手术消融和BCG治疗目前膀胱癌的治疗方法是乳头状肿瘤的手术消融[32 其目的是试图消除肿瘤，或至少减少其体积和侵入固有层的能力（更危险的发展）。肿瘤的乳头状部分更容易进入和切除，但通常，这种手术无法到达所有的肿瘤细胞，一段时间后肿瘤复发。通过在伞层开始肿瘤来模拟乳头状部分的消融手术，这导致更大和更多的外部肿瘤，并在第300天去除伞层上方的肿瘤细胞（但将肿瘤细胞保留在尿道内）。 图 10显示肿瘤体积减小显著地（大约2倍），但以相同的速率再生，并且该过程只是暂时的缓解。更重要的是，与没有手术干预的情况这种疗法延缓了肿瘤生长，在第500天减小了肿瘤体积，但是，如果有肿瘤细胞残留，只有通过更彻底的消融才能避免，肿瘤可以恢复，并且其侵袭能力不会受到太大影响。外科手术必须定期重复，增加了患者的风险和痛苦，增加了医疗保健系统的成本和资源使用手术膀胱癌消融术的常用辅助治疗是 BCG免疫疗法的应用[35对这种联合治疗的反应也用在伞层起始的肿瘤模拟，在第300天去除其乳头状成分。 在这一刻，它也被引入了一个额外的死亡率的肿瘤细胞放置卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007507见图7。 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），与标准条件相比，对于肿瘤细胞与其它类型细胞的粘附能的不同值（注意，较高的能量对应于较低的粘附（黑色虚线， = 2.55）。在其中一条（蓝线）中，能量是 = 2.04，对于红色虚线 = 2.30，对于绿色虚线 = 2.81。初始肿瘤细胞位于伞层上（详见正文）。误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。概率是11天的移动平均值。 (For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）见图8。 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），对于刚性较低的肿瘤细胞和它们的其他类型的粘附能的不同值（注意，较高的能量对应于较低的粘附），与标准相比，粘合条件（蓝线， = 2.55）。在其中一个（红色虚线）中，能量是 = 2.30，黑色虚线 = 2.04。肿瘤细胞������最初的肿瘤细胞位于基底层（详情见正文）。误差带表示不确定性96次独立运行的肿瘤体积平均值的概率和平均值±标准误。概率是11天的移动平均值。(For解释本图图例中对颜色的引用，请读者参考本文的网络版在最表层（每天死亡率为2.1%），以重现BCG的免疫治疗效果。如图10所示，在第500天肿瘤体积有相关的减小（大于因子2），但侵袭概率与没有任何治疗的侵袭概率相似。从这些研究可以得出结论，肿瘤消融可能有助于控制肿瘤体积，但必须定期重复，并且从长远来看，不会以相关的方式改变肿瘤侵袭能力。3.6. 模拟周期化疗疗程另一种重要的当前疗法是化疗[38]，其通过增加肿瘤细胞的死亡率来靶向具有高增殖率的细胞。通过引入从第301天（第一次化疗期）起的癌细胞死亡率（每次30、40或50%的值）并持续8个周期，对膀胱癌中的一般化疗治疗进行建模。 在每个三周长的周期中[39]，有两次化疗，分别在第1天和第8天，下一个周期在第22天开始（第一次会议是在模拟卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007508见图9。 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），不同模拟条件下，与标准条件（蓝线）相比。肿瘤细胞增殖时限（最小值）从24变为36（红色虚线线）和48天（黑色虚线）。最初的肿瘤细胞位于基底层（详情见正文）。误差带表示概率的不确定性以及96次独立运行的肿瘤体积平均值的平均值±标准误差。概率是11天的移动平均值。(For对所提述的解释颜色在此图图例中，读者可参考本文的网络版见图10。 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），不同模拟条件下，与标准条件（蓝线）相比。在其中一个（红色虚线）中，膀胱上方的肿瘤细胞被移除，第三百天在另一个（黑色虚线）中，在消融后应用BCG治疗。初始肿瘤细胞位于伞层上（详情见正文）。误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。概率是11天的移动平均值。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本第301天和最后一个在第455天）。 图图11示出了当与标准条件相比时，仅对于更积极的治疗，肿瘤侵袭概率显著降低。这是靶向肿瘤死亡的结果，以及随之而来的基底膜压力降低，降低了侵袭概率。在治疗期间，肿瘤体积以一致的方式减小。然而，在最后一次化疗后，如果不是所有的肿瘤细胞都死了，一个小得多的尺寸。对于更具破坏性的化疗，肿瘤在最后一个周期结束时消失的概率很高。随着肿瘤体积的减小，乳头状癌的发生率也降低这是一个相关的减少，特别是对于较高的死亡率。很明显，从本实验室重现的实验结果来看，模型，以肿瘤细胞增殖为目标，减少或消除其增殖，并追求其靶向死亡，是控制或消除肿瘤生长的非常有效的手段在泌尿系统在肿瘤发展的初始阶段，由于拥挤的环境，肿瘤细胞的运动受到限制，侵袭能力取决于它们的生长和增殖强度。这需要一种通过压缩或挤压来创造空间的能力 邻近细胞，包括基底膜和基质。降低肿瘤细胞的增殖率或增加其死亡率是降低这种压力的方便策略，它们降低了侵袭概率。在合理范围内改变其他模型参数不会显著改变所得结果。卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）1007509见图11。 作为模拟时间的函数，导致浸润性肿瘤的概率（左）、开始乳头状肿瘤的概率（中）和肿瘤体积演变的概率（右），对于不同的模拟条件，与标准条件（蓝线）相比。从第301天开始应用非特定药物的通用化疗治疗，在三周长的周期中（每个周期2次，详见正文），肿瘤细胞死亡的概率不同（红色虚线为30%，黑色虚线为40%，绿色虚线）。肿瘤体积的振荡是由于治疗的周期性。初始肿瘤细胞位于基底层。误差带表示96次独立运行的概率和肿瘤体积平均值的平均值±标准误差的不确定性。概率是11的移动平均值天（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本4. 讨论在不同条件下运行所开发的膀胱癌起始和发展模型，以检查其对体内观察到的情况的合理描述。即使是这种简单的机制模型也可以产生合理的结果，其中一些是预期的，另一些则有助于寻找可能的新治疗靶点。进行了几次测试，用不同的模型参数值运行随机模拟，以研究它们对肿瘤发展的影响，特别是对固有层侵袭能力的影响，固有层是最危险的情况。从这些测试中得出结论，肿瘤演变在很大程度上取决于其起始的层。更靠近基底膜的内部肿瘤更危险，因为它显示出更高的侵袭概率，并且可以通过在伞层上方生长而检测到。 即使它的增长速度较慢，因为它在空间上受到更多的限制，它也会更快地发展到更具威胁性的阶段。对与肿瘤细胞更相关的模型参数进行了详细的研究，以获得相对于健康细胞在其机械性质方面的优势，从而生长得更快和/或更具侵袭性。研究表明，即使肿瘤细胞刚度的适度增加也会导致肿瘤能够挤压相邻细胞，从而产生空间。 生长和增殖，因此，扩张得更快，并且具有更高的突破基底膜的可能性。另一个重要的现象，即集体肿瘤侵袭，与肿瘤细胞与邻近细胞和纤维粘附的增加有关。即使这一事件降低了肿瘤细胞的特异性运动，然后降低了单个肿瘤细胞的侵袭，它也迫使肿瘤细胞，和他们的邻居，以一种集体的方式移动。这会增加它们附近的压力，然后它们创造空间的能力 生长增殖并破坏基底膜从这些结果可以提出，靶向肿瘤细胞的机械性质，使它们对其他细胞的刚性降低和/或粘附性降低，如果可能的话，这可能是一种潜在的策略，可以降低膀胱癌的概率，使其转移到更危险，更困难的位置。消除阶段。膀胱癌的主要治疗方法，如化疗，手术消融和免疫治疗的模拟表明，它们可以减少肿瘤体积，至少在开始时但很有可能不能消除所有的肿瘤细胞，然后复发[40例如，不完全的肿瘤消融手术对肿瘤的侵袭能力没有显著影响。 化疗可能更有效，但仅适用于更具侵略性的方案，并且具有选择最危险的癌细胞表型的额外风险（除了所有相关的副作用）。为了降低肿瘤侵袭固有层的可能性，存在一些直接的治疗靶点;一个明显的靶点是通过调节肿瘤细胞的细胞周期来控制肿瘤细胞增殖速率，如果可能实施该策略的话有针对性的方式。其他方法不太明显，如改变肿瘤细胞和/或周围组织的机械特性。一种可能性是降低肿瘤细胞的刚性[43另一种方法是减少肿瘤细胞与邻近细胞和纤维的粘附，这降低了它们集体侵袭邻近组织的能力。5. 结论开发并测试了一种生物学上真实的简化三维计算模型。该模型描述了膀胱肿瘤的组织层和不同细胞类型的结构和分布，以及肿瘤在膀胱中的发生和发展的初始阶段。肿瘤体积、其在最后一层细胞上生长的概率（然后在膀胱镜检查中可见[46]）及其突破基底膜的概率用于表征肿瘤演变并研究影响其生长速率的主要肿瘤和组织特性。计算机建模是这是对复杂现象研究的宝贵补充，可以分离不同的贡献，并快速，廉价地研究替代方案。从一致和合理的前提出发，可以模拟膀胱癌进展的初始步骤，并从不同假设的系统测试中提出新的实验测试和不同的治疗途径。新的实验结果，重点是计算模型的发现，允许改进，扩展和验证模型，以及增强卡瓦略等人医学信息学解锁26（2021）10075010了解肿瘤进展步骤和驱动肿瘤侵袭的机制。目前的模型描述了膀胱癌扩张和侵袭的初始阶段所涉及的机械过程，但没有纳入相关的生物化学过程。在这项工作中描述的物理模型是一个贡献解释了从非侵袭性肿瘤到侵袭性肿瘤转变所涉及的相关过程。所获得的结果既合理又有潜在价值，有助于控制最常见癌症类型之一的进展。CRediT作者贡献声明Joao Carvalho：模型的概念化，软件设计，编写和运行，数据分析。Valeria Lopes：软件测试和运行，数据分析。Rui Travasso：模型的概念化，软件测试。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据和材料计算机模型软件可向作者索取。致谢João Ramos负责开发和测试该模拟的早期版本。 我们感谢大学医学院的Raquel Seiça和Olga Carvalho的Coimbra，对泌尿系统结构和膀胱癌发展的医学和组织学方面进行了非常有益的讨论。我们还要感谢Fernando Nogueira提供的所有支持，以及在计算机模型的系统测试和运行中使用的高性能计算集群，以及Sahar Jafari和Marcos Gouveia在3D图形方面的所有帮助资金来源这项研究得到了葡萄牙科学基金会（“Fundação para a Ciência e aTecnologia”-FCT）的支持，项目UIDB/04564/2020和UIDP/04564/2020也由FEDER/COMPETE 2020-EU共同资助。引用[1]Cumberbatch MGK，Jubber I，Black PC，Esperto F，Figueroa JD，Kamat AM，Kiemeney L等膀胱癌流行病学：2018年风险因素的系统性综述和当代更新。欧洲泌尿学2018;74（6）：784[2]BirderL，Andersson KE.尿路上皮信号传导。Physiol Rev 2013;93（2）：653[3]Dalghi MG，Montalbetti N，Carattino MD，Apodaca G.泌尿系统：液体环境中的生命。Physiol Rev2020;100（4）：1621-705。[4]Patel VG，Oh WK，Galsky MD. 2020年肌肉浸润性和晚期膀胱癌的治疗。 CACancer J Clin 2020;70（5）：404-23.[5]放大图片作者：CarvalhoJ，Lopes V，Travasso R.膀胱癌发展初始阶段肿瘤细胞的侵袭性-一项计算研究。IntJ Numer MethodsBiomed Eng 2020;37（1）.[6]Saxena K，Jolly MK，Balamurugan K.缺氧，部分EMT和集体迁移：转 移 的 新罪魁祸首。13.第十三届中国国际电影节[7]纪志，严克，李伟，胡宏，朱新.复杂生物系统的数学与计算建模。BioMedRes Int 2017;2017：1[8]Netz RR ， Eaton WA.估 计 理 论 描 述 的 计 算 极 限生 物 细 胞 。 Proc Natl AcadSci2021;118（6）：e2022753118.[9]Graner F，Glazier JA.用二维扩展potts模型模拟生物细胞分选。物理学评论快报1992;69（13）：2013[10] 平岛 T、 伦斯 例如， 梅尔克斯 RMH。 蜂窝 波茨 建模的组织形态发生中复杂的多细胞行为。Dev Growth Differ2017;59（5）：329-39.[11] Guisoni N，Mazzitello KI，Diambra L.用potts模型模拟活跃的细胞运动。前物理2018;6.[12] RamosJRD，Travasso R，Carvalho J. 分散的内皮细胞形成毛细血管网：细胞牵引、细胞粘附和细胞外基质的影响刚度 Phys Rev E2018;97（1）。[13] HatitaJ，Schulz 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