Spatio-temporal mechanistic modeling of whole-cell tumor metabolism

全细胞肿瘤代谢的时空机制模型

基本信息

项目摘要

Abstract Understanding the metabolic characteristics of tumors and their environments is crucial for elucidating the mechanisms of cancer development and for developing therapeutic strategies. Despite the increasing availability of 3D gene expression and other high-throughput data, a major unresolved challenge is how to translate complex datasets and knowledge of human metabolism and cellular biophysics into forecasts of tumor growth dynamics, spatial structure and severity, and possible therapeutic strategies. Our highly interdisciplinary project will leverage existing computational approaches to address this challenge, establishing a new avenue for performing spatio-temporal modeling and simulations of whole-cell cancer metabolism in its microenvironment. Previous work has explored 3D mathematical models of cancer growth based on simplified descriptions of cell populations, e.g. through differential equations. In parallel, based on the approach of flux balance analysis, detailed tumor metabolism models have been used to predict all steady state fluxes in the cell, and the effects of perturbations of target genes. While in principle possible, models combining 3D spatio-temporal dynamics with detailed genome-scale metabolism, have not been developed yet. Here, we propose to repurpose our free and open- access software platform for computation of microbial ecosystems in time and space (COMETS) towards the study of tumor growth dynamics. Specifically: Aim 1: We will generate omics-data-constrained genome scale models of specific cancer cell lines, and import them into COMETS. We will then simulate overall tumor growth dynamics, and test our capacity to accurately predict key metabolic phenotypes, such as growth curves, glucose and amino acid uptake, and lactate secretion. Aim 2: We will build upon our capacity to accurately simulate with COMETS fine details of multicellular dynamics in 2D to generate and test predictions of tumor growth on a surface. We will vary tumor geometry and microenvironment composition, and experimentally test predictions using a cancer on-chip approach. Aim 3: Using the advanced capabilities of COMETS, we will explore tumor heterogeneity, and extend our detailed biophysical model for biomass propagation to 3D realistic microenvironments (with gradients and vascularization), in search for metabolic characteristics associated with morphological features of 3D tumors. We expect that results generated through this project will pave the way for predictive modeling of cancer growth and metabolism, applicable to the study of in vivo tumors. Gradual application of new COMETS capabilities will allow us to extend initial models to more complex scenarios and configurations, including interactions between different cell types, detailed modeling of specific tumor geometries based on imaging data, predictions of metastasis and metabolic adaptation in tissues other than the tissue of origin, simulations of interactions with the microbiome, and the implementation of in silico testing of thousands of combinatorial therapeutic strategies.
抽象的 了解肿瘤及其环境的代谢特征对于阐明肿瘤的代谢特征至关重要 癌症发展机制和制定治疗策略。尽管可用性不断增加 3D 基因表达和其他高通量数据的一个主要未解决的挑战是如何翻译复杂的 将人类新陈代谢和细胞生物物理学的数据集和知识用于肿瘤生长动态的预测, 空间结构和严重程度以及可能的治疗策略。我们高度跨学科的项目将 利用现有的计算方法来应对这一挑战,建立执行的新途径 微环境中全细胞癌症代谢的时空建模和模拟。以前的 研究工作基于细胞群的简化描述探索了癌症生长的 3D 数学模型, 例如通过微分方程。同时,基于通量平衡分析的方法,详细了解肿瘤 代谢模型已用于预测细胞中的所有稳态通量以及扰动的影响 的靶基因。虽然原则上可行,但模型将 3D 时空动力学与详细信息相结合 基因组规模的代谢尚未开发出来。在这里,我们建议重新调整我们的自由和开放的用途 访问时空微生物生态系统计算软件平台 (COMETS) 肿瘤生长动力学研究。具体来说:目标 1:我们将生成组学数据受限的基因组规模 特定癌细胞系的模型,并将其导入 COMETS。然后我们将模拟整体肿瘤生长 动力学,并测试我们准确预测关键代谢表型的能力,例如生长曲线、葡萄糖 以及氨基酸的摄取和乳酸的分泌。目标 2:我们将增强准确模拟的能力 COMETS 提供二维多细胞动力学的详细信息,以生成和测试肿瘤生长的预测 表面。我们将改变肿瘤的几何形状和微环境组成,并通过实验测试预测 使用癌症芯片方法。目标3:利用COMETS的先进能力,探索肿瘤 异质性,并将我们用于生物质传播的详细生物物理模型扩展到 3D 现实 微环境(具有梯度和血管化),寻找与相关的代谢特征 3D肿瘤的形态特征。我们预计通过该项目产生的成果将为 癌症生长和代谢的预测模型,适用于体内肿瘤的研究。循序渐进 新 COMETS 功能的应用将使我们能够将初始模型扩展到更复杂的场景 配置,包括不同细胞类型之间的相互作用、特定肿瘤几何形状的详细建模 基于成像数据,预测除组织外的组织中的转移和代谢适应 起源、与微生物组相互作用的模拟以及对数千人进行计算机测试的实施 的组合治疗策略。

项目成果

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