The role of spatial structures of tissues in cancer initiation dynamics
The role of spatial structures of tissues in cancer initiation dynamics
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组织空间结构在癌症发生动力学中的作用
DOI：
10.1088/1478-3975/ac8515
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发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
2
通讯作者：
Kolomeisky, Anatoly B
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Spaulding, Cade;Teimouri, Hamid;Kolomeisky, Anatoly B
人们普遍认为，生物组织的进化是为了降低癌症发展的风险。将肿瘤形成的机会降到最低的具体方法之一是组织的适当空间组织。然而，潜在过程的微观机制仍然没有完全被理解。我们提出了空间结构在肿瘤启动动力学中的作用的理论研究。在我们的方法中，通过将单个突变固定映射到具有不同连通性的图上的Moran过程来分析单个突变固定的动力学，该图模仿了不同的空间结构。研究发现，当改变组织的空间结构时，固定概率不受影响，但固定时间会发生显著变化。在“准一维”结构中观察到最慢的动力学，而在“准三维”结构中观察到最快的动力学。理论计算还表明，图的连通度存在一个临界值，它模拟了组织结构的空间维度，超过这个临界值，组织的空间结构对突变固定动力学没有影响。一个有效的癌症发生的离散状态随机模型被用来解释我们的理论结果和预测。我们的理论分析阐明了组织空间结构在癌症发生过程中的作用的一些重要方面。
It is widely believed that biological tissues evolved to lower the risks of cancer development. One of the specific ways to minimize the chances of tumor formation comes from proper spatial organization of tissues. However, the microscopic mechanisms of underlying processes remain not fully understood. We present a theoretical investigation on the role of spatial structures in cancer initiation dynamics. In our approach, the dynamics of single mutation fixations are analyzed using analytical calculations and computer simulations by mapping them to Moran processes on graphs with different connectivity that mimic various spatial structures. It is found that while the fixation probability is not affected by modifying the spatial structures of the tissues, the fixation times can change dramatically. The slowest dynamics is observed in'quasi-one-dimensional'structures, while the fastest dynamics is observed in'quasi-three-dimensional'structures. Theoretical calculations also suggest that there is a critical value of the degree of graph connectivity, which mimics the spatial dimension of the tissue structure, above which the spatial structure of the tissue has no effect on the mutation fixation dynamics. An effective discrete-state stochastic model of cancer initiation is utilized to explain our theoretical results and predictions. Our theoretical analysis clarifies some important aspects on the role of the tissue spatial structures in the cancer initiation processes.
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