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    Le modèle mathématique imite le mélanome

    Le modèle mathématique imite le mélanome. À gauche :les cellules de mélanome cultivées en culture avec des cellules normales forment des amas qui ressemblent à des proto-tumeurs. À droite :des simulations utilisant une version modifiée du modèle Widom-Rowlinson reproduisent les schémas de croissance des cellules de mélanome observés dans des expériences de laboratoire en contrôlant la zone d'exclusion - la quantité d'espace requise - autour de deux types de cellules simulées à mesure qu'elles se développent et se propagent. Crédit :État de Pennsylvanie

    La capacité des cellules cancéreuses à tolérer les conditions de surpeuplement peut être une clé pour comprendre la croissance et la formation des tumeurs, selon un modèle mathématique appliqué pour la première fois à la croissance des cellules cancéreuses. Le modèle peut reproduire les schémas de croissance des cellules de mélanome observés lors d'expériences en laboratoire en contrôlant la «zone d'exclusion» - la quantité d'espace requise - autour de deux types de cellules simulées au fur et à mesure de leur croissance et de leur propagation. Un article décrivant le modèle et les expériences apparaît dans un numéro récent de la revue Rapports scientifiques .

    "Lorsque nos collaborateurs ont cultivé des cellules cancéreuses de mélanome dans une culture mixte avec des cellules normales, " dit Youri Souhov, professeur de mathématiques à Penn State et auteur de l'article, « les cellules cancéreuses se sont développées et se sont propagées plus rapidement, formant des amas de cellules de mélanome entourées de cellules non cancéreuses. Ce modèle groupé de cellules de mélanome ressemblait à des proto-tumeurs bidimensionnelles, nous nous sommes donc intéressés à la modélisation de cette formation de motif afin de comprendre ce qui, dans les cellules cancéreuses, leur permet de se développer de cette manière. Le mélanome est un cancer de la peau relativement rare. Cependant, c'est l'une des formes les plus mortelles de cancer caractérisée par un potentiel élevé de métastases, ce qui rend crucial de comprendre la dynamique de la croissance tumorale et de développer des méthodes de détection précoce. »

    Les chercheurs ont appliqué une modification du modèle Widom-Rowlinson - un modèle mathématique qui a été utilisé dans des contextes allant de la chimie théorique à la sociologie - pour essayer de déterminer quels facteurs expliquaient le schéma de croissance cellulaire observé dans les expériences de laboratoire. Leur modèle simule la croissance de deux types de cellules qui sont initialement mélangés et espacés uniformément sur une grille. En faisant varier les paramètres du modèle, les chercheurs peuvent contrôler la vitesse à laquelle chaque type de cellule se réplique, meurt, et migre, ainsi que la zone d'exclusion requise autour des cellules.

    Les cellules cancéreuses simulées (noires) se développent et forment des amas entourés de cellules non cancéreuses (jaunes) reproduisant les résultats expérimentaux. Les simulations, basé sur une modification du modèle Widom-Rowlinson, peut donner aux chercheurs des indices sur les facteurs qui permettent aux tumeurs de se former. Crédit :État de Pennsylvanie

    "En modifiant la distance d'exclusion entre les deux types de cellules dans les simulations, nous avons pu reproduire les modèles groupés observés dans les expériences, " dit Izabella Stuhl, professeur assistant invité en mathématiques à Penn State et un autre auteur de l'article. "Le type de cellule avec la zone d'exclusion la plus étroite était plus tolérant aux conditions denses et formait des motifs presque identiques aux grappes de cellules de mélanome observées dans les expériences de laboratoire. Cela suggère qu'une réduction de" l'inhibition de contact "-un facteur connu qui empêche les cellules de se répliquer lorsqu'ils se heurtent à d'autres cellules, c'est peut-être ce qui permet aux tumeurs de se former."

    Au cours de leur travail, les chercheurs ont d'abord fait des prédictions basées sur le modèle mathématique. Puis des simulations numériques ont été réalisées, parallèlement aux expériences de co-culture. Les résultats simulés ont été comparés à plusieurs reprises avec les données expérimentales.

    Les chercheurs prévoient de continuer à étendre leur modèle en combinaison avec des données d'expériences réelles sur la croissance des cellules cancéreuses. Cette combinaison de modélisation théorique et d'expériences en laboratoire pourrait conduire à des informations supplémentaires sur les facteurs qui contribuent à la croissance des cellules cancéreuses.

    "Les tumeurs se développent dans des endroits où la normale, les cellules saines ne peuvent pas parce que les cellules sont déjà densément emballées, " dit Suhov. " L'inhibition du contact, que nous avons modélisé comme zone d'exclusion, peut être l'une des choses qui empêche les cellules non cancéreuses de se propager de manière incontrôlable, mais les cellules cancéreuses surmontent en quelque sorte cela. D'autre part, les cellules normales essaient de former des "couches frontières", d'une densité cellulaire plus élevée, amas environnants ressemblant à des tumeurs comme s'ils voulaient isoler les tumeurs et les empêcher de se propager davantage. Notre modèle montre que ces facteurs sont pertinents lorsque l'on essaie d'expliquer les images de croissance cellulaire vues en laboratoire. Il est assez remarquable que le mélange de cellules provenant de sources biologiques non apparentées montre un modèle de comportement persistant. Cependant, nous aimerions étendre cela pour mieux comprendre comment les cellules cancéreuses se comportent dans un environnement naturel. Alors que nous continuons à affiner notre modèle sur la base de données expérimentales supplémentaires, nous pourrons peut-être intégrer des paramètres qui nous permettront de mieux comprendre les processus biologiques précis qui provoquent la formation de tumeurs."


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