Αφηρημένο

Η ικανότητα να απεικονίσει τις συνεχιζόμενες εκδηλώσεις ενός υπολογιστικού μοντέλου της βιολογίας είναι κρίσιμης σημασίας, τόσο για να δούμε τη δυναμική του βιολογικού συστήματος σε δράση και να επιτρέπουν την αλληλεπίδραση με το μοντέλο από το οποίο μπορεί κανείς να παρατηρούμε το συμπεριφορά. Για το σκοπό αυτό, έχουμε δημιουργήσει ένα νέο διαδραστικό εργαλείο animation,

SimuLife

, για την οπτικοποίηση αντιδραστικά μοντέλα της κυτταρικής βιολογίας. SimuLife είναι web-based, και είναι ελεύθερα προσβάσιμο στο

https://simulife.weizmann.ac.il/

. Έχουμε χρησιμοποιήσει SimuLife να εμψυχώσει ένα μοντέλο που περιγράφει την ανάπτυξη ενός καρκινικού όγκου, με βάση τα επιμέρους συστατικά του συστήματος και του περιβάλλοντός του. Αυτό βοήθησε στην κατανόηση της δυναμικής του όγκου και των γύρω αιμοφόρα αγγεία του, και τον έλεγχο της συμπεριφοράς, τελειοποιώντας το μοντέλο αναλόγως, και τη μάθηση με ποιο τρόπο διαφορετικοί παράγοντες επηρεάζουν τον όγκο

Παράθεση:. Bloch Ν , Weiss G, Szekely S, Harel D (2015) ένα διαδραστικό εργαλείο για Εμψύχωση Βιολογίας, και η χρήση του στην χωρική και χρονική Μοντελοποίηση ενός καρκινικού όγκου και μικροπεριβάλλον του. PLoS ONE 10 (7): e0133484. doi: 10.1371 /journal.pone.0133484

Επιμέλεια: Danilo Roccatano, Jacobs University Bremen, Γερμανία

Ελήφθη: 30η του Οκτωβρίου 2014? Αποδεκτές: 27, Ιούνη, 2015? Δημοσιεύθηκε: 20 του Ιούλη 2015

Copyright: © 2015 Bloch et al. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Δεδομένα Διαθεσιμότητα: Διαθεσιμότητα Λογισμικού: SimuLife είναι προσβάσιμη στο διαδίκτυο στη https://simulife.weizmann.ac.il/. Το εργαλείο είναι ανοικτού κώδικα και δεδομένων λογισμικό είναι διαθέσιμο σε https://github.com/simulife/simulife βάσει της Άδειας BSD 2-ρήτρα

Χρηματοδότηση:. Η έρευνα υποστηρίχθηκε από ένα Advanced Research Grant από την Ευρωπαϊκή Συμβούλιο Έρευνας (ΕΣΕ) στο πλαίσιο του προγράμματος FP7 της Ευρωπαϊκής Κοινότητας, τον αριθμό 710932. Οι χρηματοδότες δεν είχε κανένα ρόλο στο σχεδιασμό της μελέτης, τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, η απόφαση για τη δημοσίευση, ή την προετοιμασία του χειρογράφου. Μέρος αυτής της έρευνας υποστηρίχθηκε από το Ι πρόγραμμα CORE του Ισραήλ Σχεδιασμού & amp? Budgeting Επιτροπή και το Ίδρυμα του Ισραήλ Επιστήμη

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

Η μοντελοποίηση βιολογικών συστημάτων με ηλεκτρονικά μοντέλα που υποστηρίζουν διαδραστικό εκτελέσεις (προσομοιώσεις) παρέχει τη δυνατότητα να ενσωματώσει ένα μεγάλο ποσό των πειραματικών δεδομένων, και να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη εικόνα του συστήματος στο σύνολό του. Αυτό περιλαμβάνει τη δυνατότητα να παρατηρήσουν τη δυναμική σε λειτουργία, από αφηρημένες animation του μοντέλου, το οποίο είναι απαραίτητο για μια σαφή κατανόηση της βιολογίας που εκπροσωπούνται στο μοντέλο και είναι βολικό ως βάση για περαιτέρω ανάλυση.

Συστήματα βιολογίας, μαθηματικών μοντέλων και υπολογιστικών προσεγγίσεων μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στην έρευνα και την ανάπτυξη στον τομέα της βιολογίας [1,2], και αυτά είναι, στην πραγματικότητα, όλο και μεγαλύτερη σημασία στις προσπάθειες για την καλύτερη κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών συμπεριφορών. Εκτεταμένες προσπάθειες για την μοντελοποίηση και ανάλυση βιολογικών συστημάτων ή διαδικασιών πραγματοποιηθεί [3,4], κατά το μεγαλύτερο μέρος από τα παραδοσιακά μαθηματικά μοντέλα [5-19], χρησιμοποιώντας ένα top-down προσέγγιση, σύμφωνα με την οποία η γνωστή συμπεριφορά του συστήματος είναι χτισμένο στο μοντέλο. Μια διαφορετική προσέγγιση, η οποία έχει ονομαστεί

εκτελέσιμο βιολογία

[20] επικεντρώνεται στο σχεδιασμό του πλήρως εκτελέσιμο μοντέλα που μιμούνται πολύπλοκων βιολογικών φαινομένων, και γίνεται συνήθως κάτω προς τα πάνω [21-25]. Για μία επισκόπηση βλέπε [2]. Ένα άλλο γνωστό παράδειγμα των βιολογικών μοντέλων σύστημα περιλαμβάνει το μπλε του έργου του εγκεφάλου για να μελετήσει την αρχιτεκτονική και λειτουργική αρχές του εγκεφάλου [26]. Εκεί, η δυναμική του συστήματος προκύπτουν από το μοντέλο μέσω αντίστροφης μηχανικής χρησιμοποιώντας το λογισμικό NEURON μαζί με ένα βιολογικά ρεαλιστικό μοντέλο των νευρώνων, με βάση την ακριβή μαθηματική αναπαράσταση.

Αν και υπολογιστικά μοντέλα συνήθως περιέχουν πολλά βασικά στοιχεία, στις περισσότερες περιπτώσεις που δεν μπορούν να περάσουν στο χρήστη μια από τις πιο σημαντικές πτυχές του συστήματος που διαμορφώνεται, η οποία είναι στην πραγματικότητα να δει σε λειτουργία [27]. Η απεικόνιση είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να εκπροσωπούν τη δυναμική ενός μοντέλου. Αυτό θα πρέπει να περιλαμβάνει τουλάχιστον τα συστατικά του συστήματος, τις αλληλεπιδράσεις τους και την επίδραση των μεταβολών στις τιμές των παραμέτρων. Η τεχνική του

αντιδραστική animation

(RA), σύμφωνα με την οποία το μοντέλο του συστήματος αντίδρασης συνδέεται ομαλά με ένα εργαλείο animation [28-30], έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν για να διαμορφώσει με επιτυχία αρκετές μη τετριμμένη βιολογικά συστήματα [22 -24]. Στο [24], η δυναμική αρχιτεκτονική ενός λεμφαδένα διαμορφώθηκε. RA βοήθεια στην παρατήρηση της συμπεριφοράς που οδηγεί στην μοναδική συνάντηση μεταξύ της ειδικής Τ και Β κύτταρα, ή πώς μπορεί να χάσει ο ένας τον άλλο κατά καιρούς, ανάλογα με τους άλλους παράγοντες που υπάρχουν. Στο [23], η ανάπτυξη του παγκρέατος των θηλαστικών διαμορφώθηκε. Εδώ RA βοήθησε στην παρατήρηση του φυσικού σχηματισμού 3D του παγκρέατος, καθώς και βλέποντας τα οποία τα κύτταρα που αποτελείται από σε κάθε στάδιο. Επίσης, η αλλαγή της διάταξης των αιμοφόρων αγγείων αποκάλυψε σχήματα που είναι διαφορετικής φύσεως από την πραγματική του παγκρέατος δομή. Στο [22], η διαφοροποίηση των Τ-λεμφοκυττάρων στον θύμο διαμορφώθηκε. RA αποκάλυψε μια προηγουμένως άγνωστη ύπαρξη ανταγωνισμού μεταξύ των θυμοκυττάρων για το διάστημα και διέγερση, η οποία είναι απαραίτητη για τη δημιουργία της κανονικής δομής και της λειτουργίας του θύμου οργάνου.

Στην εργασία αυτή περιγράφουμε

SimuLife

, ένα νέα RA-based διαδραστικό εργαλείο για την εμψύχωση υπολογιστικά μοντέλα της κυτταρικής βιολογίας. Ο κύριος στόχος μας ήταν να καταστήσει το εργαλείο γενικής χρήσης, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμεύσει μια μεγάλη ποικιλία τύπων βιολογικών συστημάτων. Θέλαμε επίσης SimuLife να συμβάλει στη βελτίωση της εμπειρίας των δύο προγραμματιστές και τους χρήστες, και να δώσει μια ρεαλιστική ματιά στο μοντέλο λειτουργίας, έτσι ώστε θα ήταν προσιτά σε βιολόγους, και ακόμη και λαϊκούς. Με αυτό κατά νου, έχουμε προίκισε το εργαλείο με ένα φιλικό προς το χρήστη διεπαφή που επιτρέπει σε κάποιον να χειριστείτε εύκολα και να πειραματιστούν με τις παραμέτρους, καθώς και με άλλες πτυχές του εργαλείου, όπως τους τύπους εικόνας που χρησιμοποιείται, τα χρώματά τους, τι να περιλαμβάνονται σε μια προβολή, κλπ

το πλεονέκτημα της SimuLife, και ένα από τα πράγματα που κάνουν το εργαλείο τόσο ελκυστικό, είναι ότι είναι προσβάσιμη απ ‘ευθείας μέσω του διαδικτύου και δεν απαιτεί ειδικές λήψεις ή εγκαταστάσεις (

http

:

//simulife

Weizmann

ac

il /

)…. Εκτός από τα γραφικά του είναι 3D επιτρέποντας έτσι να ακολουθήσει διαισθητικά τη μορφολογική διάταξη.

Όπως αναφέρθηκε, ο κύριος σκοπός της δημιουργίας αυτού του εργαλείου ήταν να αποτελέσει ένα πρώτο βήμα προς ένα γενικό εργαλείο που τελικά θα είναι σε θέση να υποστηρίξει μια πληθώρα των διαφόρων ειδών βιολογικών προτύπων. Παρ ‘όλα αυτά, η διαδικασία της κατασκευής του εργαλείου οδηγήθηκε από την εργασία μας για ένα συγκρότημα υπολογιστικό μοντέλο ενός καρκινικού όγκου και μικροπεριβάλλον του, η οποία έγινε παράλληλα. Στην παρούσα εργασία θα απεικονίζουν τη χρήση του εργαλείου και τις ικανότητές της σε αυτό το συγκεκριμένο μοντέλο, και στις μελλοντικές εργασίες σχεδιάζουμε να προσαρμοστούν SimuLife σε άλλους τύπους συστημάτων υπερβολικά. Την έρευνα

Ο καρκίνος είναι μεγάλης σημασίας. Αναφέρεται σε πολλές διαφορετικές και διακριτικό ασθένειες, οι οποίες όλες πηγάζουν από την ίδια κατάσταση μη κανονικής ανάπτυξης και ρύθμιση των κυττάρων, τα οποία πολλαπλασιάζονται με ανεξέλεγκτο τρόπο. Μεταξύ των χαρακτηριστικά ενός καρκινικού κυττάρου, όπως αυτές που αναφέρονται παραπάνω, έχει αποκαλυφθεί ότι τα κύτταρα γύρω από τον όγκο συνιστούν αυτό που ονομάζεται το μικροπεριβάλλον του όγκου [31]. Το καρκινικό όγκο δεν μπορεί να επιβιώσει ή πρόοδος από μόνη της? εξαρτάται από τη δυναμική μικροπεριβάλλον στο οποίο προέρχεται και τις αμφίδρομες αλληλεπιδράσεις με αυτό το περιβάλλον. Η αμφίδρομη cross-talk μεταξύ του όγκου και του περιβάλλοντός του πραγματοποιείται είτε με έκκριση των σημάτων ή από αλληλεπιδράσεις κυττάρου-κυττάρου. Αυτή η επικοινωνία είναι πολύ σημαντική και μπορεί να ενεργήσει για να ενισχύσει ή να εμποδίσουν το σχηματισμό όγκων.

Η αγγειογένεση είναι η διαδικασία των νέων αιμοφόρων αγγείων αυξάνεται από προ-υπάρχουσες. Είναι μια φυσιολογική και ζωτικής σημασίας διαδικασία στην ανάπτυξη του εμβρύου και την επούλωση των πληγών, αλλά είναι επίσης ένα θεμελιώδες βήμα για τη μετάβαση των όγκων από μια λανθάνουσα κατάσταση σε έναν κακοήθη ένα. Χωρίς τα αιμοφόρα αγγεία, οι όγκοι δεν μπορούν να αναπτυχθούν πέρα ​​από το μέγεθος του 1 χιλιοστού

3 [32]? χρειάζονται ένα μεγάλο παροχή οξυγόνου και θρεπτικών ουσιών που παραδίδονται στα κελιά τους. Όταν ο όγκος είναι κάτω από υποξία (έλλειψη οξυγόνου) [33] μια σειρά γεγονότων συμβαίνει, ένα αποφασιστικής σημασίας είναι η έκκριση του VEGF από τα καρκινικά κύτταρα, οδηγώντας σε αγγειογένεση.

Χρησιμοποιώντας το εργαλείο SimuLife, μπορούμε απεικονίσει τις τρέχουσες εκδηλώσεις του μοντέλου καρκίνου, συμπεριλαμβανομένης της αγγειογένεσης και η επίδρασή του. Αυτό έχει μεγάλη σημασία, καθώς επιτρέπει στο άτομο να δει την ανάπτυξη και τη μορφολογία του όγκου και τα περίχωρά της, να κατανοήσουν τη δυναμική του συστήματος που βασίζεται σε επιμέρους συστατικά του, σε έλεγχο της συμπεριφοράς, τελειοποιήσουν το μοντέλο αναλόγως, και να χειριστείτε την είσοδο προκειμένου να απεικονίσει την επίδρασή της επί της προκύπτουσας μορφολογία. Η τελευταία περιλαμβάνει την αλλαγή των παραμέτρων για να δούμε τι θα συμβεί στον όγκο είτε χωρίς αγγειογένεση ή όταν το επίπεδο των παραγόντων που επηρεάζουν την αγγειογένεση έχει αλλάξει.

Αποτελέσματα

Εργαλείο ανάπτυξης

Ένα διαδραστικό animation εργαλείο,

SimuLife

, για την οπτικοποίηση μοντέλα της κυτταρικής βιολογίας, χτίστηκε. SimuLife λαμβάνει συνεχώς δεδομένα από την αντιδραστική μοντέλο και ισοπαλίες και ενημερώνει τα γραφικά με βάση τις αλλαγές. Οι βασικές αρχές που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό και την κατασκευή SimuLife είχαν ως εξής? Ώστε να είναι γρήγορη, αποτελεσματική, ικανή να υποστηρίξει χιλιάδες αντικείμενα, χρησιμοποιήστε ρεαλιστική εμφάνιση εικόνων, δείχνουν καλή απόδοση, να είναι όσο το δυνατόν ευρύτερος, εργάζονται τόσο σε πραγματικό χρόνο και χωρίς σύνδεση χρησιμοποιώντας ένα προ-ηχογραφημένο αρχείο, παρουσιάζουν το animation σε 3D , να είναι διαδραστικό και με μια φιλική προς το χρήστη διεπαφή, και είναι web-based. Θέλαμε να καταστεί ελεύθερο από να χρειάζεται να κατεβάσετε ή να εγκαταστήσετε συγκεκριμένα εργαλεία, που δεν απαιτούν μία να αγοράσει μια άδεια ή να πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια γλώσσα ευπρέπεια.

GUI SimuLife περιέχει μια κύρια οθόνη δείχνει την πραγματική animation, και την πλευρά καρτέλες με διάφορες επιλογές για το ίδιο το υπολογιστικό μοντέλο και τις εικόνες κινουμένων σχεδίων (Σχήμα 1). Επίσης, παρέχει στατιστικά στοιχεία σχετικά με το τρέχον βήμα χρόνο και την ποσότητα των αντικειμένων, οι οποίες ενημερώνονται σε όλο το τρέξιμο (βλ διαδήλωση στο S1 βίντεο ή

http

:.

//youtu

είναι /xsOXtD7-LjE

).

το μεσαίο παράθυρο είναι η οθόνη animation. Στις πλευρές είναι καρτέλες με διάφορες επιλογές για τη λειτουργία του μοντέλου και αλλαγή στοιχείων στο animation

Η

SimuLife έχει τις ακόλουθες δυνατότητες (βλ διαδήλωση στο S2 βίντεο ή

http

:.

//youtu

είναι /_U9rw1ACGhM

):.. Παραδείγματα αναφέρονται λαμβάνονται από το μοντέλο καρκίνο

να αντιπροσωπεύει κύτταρα χρησιμοποιώντας είτε απλές σφαιρικές εικόνες ή πιο ρεαλιστική εμφάνιση αυτών ( το τελευταίο είναι πιο δαπανηρή υπολογιστικά και μπορεί να επηρεάσει την απόδοση) (Σχήμα 2Α).

να αντιπροσωπεύει μόρια με κατανομή πυκνότητας, σε κάθε ακτίνα ή κύβους.

Αλλάξτε γενικές ή ειδικές τιμές παραμέτρων πριν από την ή κατά τη διάρκεια μιας περιόδου (βλ διαδήλωση στο S3 βίντεο ή

http

:.

//youtu

είναι /bCkujp1E3m0

).

Κάντε κλικ και -Επιλέξτε μεμονωμένα ορατά αντικείμενα, ή να επιλέξετε κρυμμένα αντικείμενα (όπως αυτές στο εσωτερικό του όγκου), επιλέγοντας από μια λίστα, και να λαμβάνουν σχετικές πληροφορίες σχετικά με αυτές από το μοντέλο (θέση, γονικό κύτταρο, κλπ).

Δημιουργία ή να σκοτώσει τα αντικείμενα, είτε ειδικά αυτά ή τυχαία (βλ διαδήλωση στο S4 Βίντεο ή

http

:.

//youtu

είναι /Khgej9Cs0jo

).

Αλλάξτε τα χρώματα των εικόνων (Σχήμα 2Β).

Βεβαιωθείτε ότι τα αντικείμενα αόρατα, προκειμένου να επικεντρωθεί σε άλλα αντικείμενα (Σχήμα 2C).

Κόψτε το animation σε ένα δεδομένο σημείο κατά μήκος οποιοδήποτε από τα 3D άξονες, προκειμένου να δείτε μια ενότητα 2D σταυρό (Εικ 2Δ).

Μεγέθυνση και σμίκρυνση, περιστροφή της κινούμενης εικόνας γύρω από το κέντρο, και να περιηγηθείτε σε οποιαδήποτε 3D θέση.

Χρησιμοποιήστε ένα προ-ηχογραφημένο αρχείο μιας διαδρομής, για να δείτε τα αποτελέσματα πιο γρήγορα και /ή αργότερα.

Παίξτε με την ταχύτητα με την οποία διαβάζεται το αρχείο, και ως εκ τούτου με την ταχύτητα του animation, και παύση ότι σε κάθε δεδομένη στιγμή.

η

(α) Μπορεί να χρησιμοποιήσει πιο ρεαλιστικές εικόνες (αριστερά) ή απλές σφαιρικές εικόνες (δεξιά). χρώματα (β) Προεπιλογή (αριστερά) ή μια πιθανή αλλαγή των χρωμάτων (δεξιά). (Γ) Βεβαιωθείτε ότι τα αντικείμενα αόρατα, προκειμένου να επικεντρωθεί σε άλλες. Αριστερά – τα αιμοφόρα αγγεία, το κέντρο – όγκου, δεξιά – μόρια. (Δ) Ο τεμαχισμός: ένα τμήμα 2D σταυρό (σε αυτήν την περίπτωση ενός όγκου, που δείχνει το εσωτερικό του πυρήνα)

Η

Χρήση SimuLife να εμψυχώσει ένα υπολογιστικό μοντέλο ενός όγκου

Τα πλεονεκτήματα. ενός τέτοιου εργαλείου είναι μεγάλη? ενώ το υπολογιστικό μοντέλο έχει την πληροφορία για κάθε ένα από τα επιμέρους αντικείμενα, SimuLife επιτρέπει σε κάποιον να απεικονίσει τις πληροφορίες από όλα τα αντικείμενα μαζί ταυτόχρονα. Παρά το γεγονός ότι SimuLife αναπτύχθηκε για να εξυπηρετήσει τελικά ως γενικό εργαλείο, ένα που θα είναι σε θέση να συνδεθεί με πολλά διαφορετικά είδη βιολογικών μοντέλων, χρησιμοποιείται σήμερα για ένα συγκεκριμένο βιολογικό μοντέλο – ένα Statecharts με βάση χωρικές και χρονικές μοντέλο ενός καρκινικού όγκου και μικροπεριβάλλον του, αναπτύσσονται με τη χρήση του εργαλείου Rhapsody από την IBM (

www

.

IBM

.

com /software /awdtools /ραψωδία /

).

μας μοντέλο εστιάζει σε ένα τρισδιάστατο όγκο τρία, που πηγαίνει από ένα μόνο καρκινικό κύτταρο μέσω του σχηματισμού ενός πρωτογενούς χωρίς αγγείωση όγκου, μέσω της έκκρισης των αγγειογόνων παραγόντων και την πρόσληψη των κοντινών αιμοφόρων αγγείων, σε μια εντελώς αγγειούμενου όγκου. καρκινικά κύτταρα και ενδοθηλιακά κύτταρα (κύτταρα των αιμοφόρων αγγείων) έχουν ως πρότυπο σε σχέση με το μέγεθός τους, τη θέση, την κατάσταση, τον πολλαπλασιασμό, είσοδος από τη γύρω περιοχή και έξοδο στον περιβάλλοντα. Χρησιμοποιώντας τη γλώσσα Statecharts (βλέπε υλικά και μέθοδοι τμήμα), μια γενική συμπεριφορά ήταν το πρότυπο για κάθε είδους αντικείμενο, και κατά τη διάρκεια των εκτελέσεων του μοντέλου δημιουργήθηκαν πολλές περιπτώσεις από τα αντικείμενα που αντιπροσωπεύουν καθεμία συγκεκριμένες μία ανάληψη ρητής μελών της αναλόγως. Πολλές παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο, όπως το μέγεθος των κυττάρων, το μέγεθος περιοχής, το όριο οξυγόνο, κατώφλι VEGF, ρυθμό πολλαπλασιασμού, ρυθμός έκκρισης, και άλλα. Οι τιμές αυτών των παραμέτρων μπορεί εύκολα να μεταβληθεί για να δούμε την επίδραση στο σύστημα οποιασδήποτε μίας παραμέτρου ή ενός συνδυασμού αυτών. Οι τιμές των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο δεν έχουν μονάδες μετρήσεων, αλλά ποσοτικοποιούνται σχέση με το άλλο. Με τον τρόπο αυτό ποιοτικές συγκρίσεις μπορούν να γίνουν με βιολογικά πειράματα. Παρ ‘όλα αυτά, πολλές από τις γενικές παραμέτρους όπως ο χρόνος, το μέγεθος, τα ποσά, έχουν κατά προσέγγιση ισοδύναμες πραγματικές αξίες τους και έτσι επιτρέπουν για ποσοτικές συγκρίσεις για δυναμική αύξηση του πραγματικού όγκου. Περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με το μοντέλο και ένα σύνολο παραμέτρων και των τιμών τους μπορούν να βρεθούν στο (S1 κειμένου). Το αποτέλεσμα είναι μια ολοκληρωμένη, δυναμική, αντιδραστική, 3D χωρική και χρονική υπολογιστικό μοντέλο ενός καρκινική ανάπτυξη του όγκου και μικροπεριβάλλον του.

Αναλύοντας τη συμπεριφορά του μοντέλου είναι ένα ζωτικής σημασίας βήμα για την κατανόηση της δυναμικής του συστήματος, και για να είναι σε θέση να το συγκρίνουμε με τα υπάρχοντα βιολογικά δεδομένα, προκειμένου να ελέγξει την ορθότητα του μοντέλου.

στο μοντέλο καρκίνου, χρησιμοποιήσαμε SimuLife προκειμένου να κατανοήσουν το σύστημα καλύτερα, σε σύγκριση με γνωστά βιολογικά δεδομένα, βεβαιωθείτε ότι το μοντέλο δεν έχει μη αποδεκτή βιολογικές συμπεριφορές, να τελειοποιήσουν τις διάφορες παραμέτρους του μοντέλου, και να δοκιμάσουν νέες και ενδιαφέρουσες δυνατότητες. Κάποιοι, από τα πολλά παραδείγματα αυτού περιλαμβάνουν:

α) Δοκιμή του συστήματος υπό συνθήκες χωρίς αγγειογένεσης (δηλαδή, δεν υπάρχουν αιμοφόρα αγγεία που αναπτύσσονται προς τον όγκο). Χωρίς μικροπεριβάλλον του όγκου, η οποία περιλαμβάνει αγγειογονικά αιμοφόρα αγγεία, ο όγκος δεν μπορεί να επιβιώσει, λόγω των χαμηλών παροχή οξυγόνου /θρεπτικού [33-36]. Ως εκ τούτου, όπως ήταν αναμενόμενο, αυτό είχε ως αποτέλεσμα ενός πρωτογενούς όγκου που σταμάτησε να αυξάνεται σε κάποιο σημείο, και στη συνέχεια άρχισε να πεθαίνουν (Σχήμα 3Α). Αυτό θα μπορούσε να επιτευχθεί με καμπύλες κυτταρικού πληθυσμού των ενεργών κυττάρων, νεκρωτικών κυττάρων, endothelic κύτταρα και ίσως καμπύλες οξυγόνου και VEGF. Ωστόσο, απεικόνιση δείχνει τη δυναμική όλων των κυττάρων και των μορίων μαζί, και επιτρέπει σε κάποιον να πάρει μια αίσθηση για το πώς συμβαίνει – τα οποία είναι κύτταρα θανατώνονται off Πρώτον, το μέγεθος του όγκου φθάσει κλπ

(α ) αριθ αγγειογένεση. Όγκου δεν αναπτύσσεται ((νεκρά) κύτταρα νεκρωτικές είναι σε μπλε χρώμα). (Β) Υψηλή εναντίον χαμηλή προσομοιώσεις έκκριση VEGF. Αριστερά για χαμηλή VEGF, το δικαίωμα για την υψηλή VEGF, με τα ποσά που εμφανίζονται στις καρτέλες στα αριστερά της εικόνας. Και οι δύο εικόνες που παρουσιάζονται σε περίπου την ίδια ώρα βήμα – σε χαμηλές αγγειογένεση VEGF έχει αρχίσει μόνο, ενώ σε υψηλές VEGF υπάρχουν πολλά ενεργοποιημένα και διακλαδισμένα αγγεία. (Γ) Ο όγκος αυξάνεται προς τα έξω, προς τα αιμοφόρα αγγεία, στην περίπτωση ενός μικρού αριθμού των σκαφών, λόγω ελαττωματικής ανάπτυξης σκάφος.

Η

β) Έλεγχος των επιπτώσεων της υψηλής έναντι έκκρισης χαμηλή VEGF . VEGF έκκριση από τα κύτταρα του όγκου είναι αυτό προσλαμβάνει τα αιμοφόρα προς τον όγκο προκειμένου να το εφοδιάσει με οξυγόνο /θρεπτικές ουσίες [35]. Όσο χαμηλότερο είναι το επίπεδο VEGF, ή τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για να φτάσει τα αιμοφόρα αγγεία, τόσο περισσότερος χρόνος θα χρειαστεί τα ενδοθηλιακά κύτταρα να καταστούν ενεργοποιημένα για να σχηματίσουν το αγγειογόνο δίκτυο. Παίζοντας με αυτή την παράμετρο αποκαλύπτει ότι η χαμηλή έκκριση VEGF οδηγεί σε πολύ λιγότερα αιμοφόρα αγγεία, ενώ με τη χρήση υψηλής VEGF τιμές έκκριση αποτελέσματα σε πολλούς αιμοφόρα αγγεία που έχουν ήδη σχηματιστεί στο ίδιο χρονικό σημείο (Σχήμα 3Β). Και εδώ, οι ενισχύσεις οπτικοποίηση να δει όχι μόνο το ποσό των ενδοθηλιακών κυττάρων που δημιουργούνται με το χρόνο, αλλά και τη μορφολογία που τα αιμοφόρα αγγεία σχηματίζονται σε διαφορετικά στάδια του χρόνου, δεδομένου ότι ακολουθούν την κλίση του VEGF για την επίτευξη του όγκου. Επιπλέον, είναι δυνατό να δείτε την αλλαγή της κλίσης του VEGF σε όλο το διάστημα.

γ) Δοκιμή ανάπτυξης ελαττωματικών αιμοφόρων αγγείων. Αυτό δεν έχει ληφθεί από την βιβλιογραφία, αλλά, αντίθετα, είναι ένα παράδειγμα που δείχνει το σχήμα που ο όγκος παίρνει σε διαφορετικές περιπτώσεις. Εδώ τα αιμοφόρα αγγεία δεν είχαν τη δυνατότητα να επεκταθούν σε νέες, αλλά μόνο για να γίνει πλέον, οπότε δεν υπάρχει εκθετική αύξηση των σκαφών, ως εκ τούτου λιγότερο οξυγόνο. Αυτό προκάλεσε ο όγκος να αναπτύσσεται προς την πηγή οξυγόνου, «αγκαλιάζει» τα αιμοφόρα αγγεία και σχηματίζοντας έτσι μία διακλάδωση σχήμα και όχι μια σφαίρα που μοιάζει με το σχήμα (Σχήμα 3C). Αυτός ο διαφορετικός τύπος ανάπτυξης του όγκου αποκαλύφθηκε με τη βοήθεια του εργαλείου SimuLife.

Υλικά και Μέθοδοι

SimuLife είναι ένα διαδραστικό εργαλείο animation που αλληλεπιδρά με το υπολογιστικό μοντέλο, αποστολή πληροφοριών σε αυτό και λήψη πληροφοριών από αυτό (τόσο ως αρχεία XML). Αυτό είναι το πνεύμα του

αντιδραστική animation

τεχνική [28-30]. SimuLife τότε αντλεί και /ή τροποποιεί τα γραφικά με βάση τις αλλαγές στο μοντέλο. SimuLife βασίζεται σε WebGL (Web Graphics Library), και ένα API JavaScript (πλαίσιο Three.js στην περίπτωσή μας) για την παροχή διαδραστικών 3D γραφικά σε οποιοδήποτε συμβατό πρόγραμμα περιήγησης στο Web χωρίς τη χρήση των plug-ins. Η πλευρά του πελάτη είναι το Chrome και η επικοινωνία με εξωτερικούς κινητήρες πραγματοποιείται μέσω υποδοχών (Σχήμα 4). Οι βάσεις για τις ρεαλιστικές εκδοχές των εικόνων (π.χ. κύτταρα) παρασκευάστηκαν από επαγγελματία εμψυχωτή και βρίσκονται σε COLLADA, μια μορφή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με το πλαίσιο μας. SimuLife είναι open source και τα σενάρια που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αυτή είναι διαθέσιμη σε https://github.com/simulife/simulife.

Αποτελείται από μια πλευρά του πελάτη και διακομιστή. Η πλευρά του πελάτη είναι ένα πρόγραμμα περιήγησης στο Web που παρουσιάζει γραφικά την έξοδο του μοντέλου εκτελεστεί. Η πλευρά του διακομιστή διαιρείται σε διακομιστή εφαρμογών που διατηρεί το εκτελεστεί μοντέλο, και ένα web server που δημιουργεί τα νέα αντικείμενα που αποστέλλονται στο πρόγραμμα περιήγησης στο Web, σύμφωνα με τις πληροφορίες που λαμβάνονται από το μοντέλο. Πληροφορίες μπορούν επίσης να αποσταλούν από την πλευρά του πελάτη (η διεπαφή χρήστη) με το μοντέλο μέσω του web server

Η

Μερικές από τις προκλήσεις που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των εργαλείων περιλαμβάνουν:.

Η ενασχόληση με την εμψύχωση χιλιάδες συμπεριφοράς πλούσια σε αντικείμενα, ενώ προσπαθεί να μην επηρεάσει την απόδοση. Ένας από τους τρόπους που το έκανε αυτό ήταν με την ομαδοποίηση πολλών αντικειμένων μαζί σε ένα ενιαίο αντικείμενο και Κατάργηση ομαδοποίησης όταν είναι απαραίτητο. Κάθε αντικείμενο υποβλήθηκε σε επεξεργασία ξεχωριστά και αναφέρονται χωριστά όταν χρειάζεται, αλλά όταν δεν είναι σε χρήση, π.χ., όταν στο εσωτερικό του όγκου ή σε μία πλευρά δεν είναι ορατή στο χρήστη, τα αντικείμενα ομαδοποιήθηκαν ώστε να καταλαμβάνουν λιγότερη μνήμη υπολογιστή, έτσι ώστε η απόδοση δεν θα ζημιωθούν.

Όταν εμφανίζεται μια τεμαχισμό του animation, με το τμήμα 2D σταυρό του, υπήρχε ανάγκη να καταστεί η κομμένη περιοχή φαίνεται να είναι επίπεδη, πράγμα που σημαίνει ότι κάθε μία από τις εικόνες στην παραμεθόρια είχε να «κοπεί». 3D αντικείμενα είναι κούφια και όταν τον τεμαχισμό τους υπάρχει μια ανάγκη για να κλείσει το unclosed φέτες σχήμα 3D. Για να λυθεί αυτό χρησιμοποιήσαμε το πακέτο ThreeBSP, ένα plugin CSG για Three.js (https://github.com/sshirokov/ThreeBSP), η οποία μας επιτρέπει να αφαιρέσουμε δύο 3D αντικείμενα από το άλλο? η περιοχή 3D που πρόκειται να κοπεί από τη σκηνή σε καθένα από τους τρεις άξονες αφαιρέθηκε από το κύτταρο 3D, με αποτέλεσμα σε ένα κλειστό φέτες εικόνα.

Παρουσιάζοντας μια μεγάλη ποσότητα αντικείμενα (όπως τα εκατομμύρια των μορίων) . Εμείς λυθεί αυτό με την παρουσίαση της κατανομής κλίση των μορίων αντί του καθενός από τα μεμονωμένα μόρια. Αυτό έγινε με την εμφάνιση του συνολικού ποσού των μορίων είτε σε κάθε σφαίρα από το κέντρο του όγκου ή σε κάθε κύβος σε όλο το χώρο ως πρότυπο.

καταστήσουν τη σύνδεση μεταξύ ξεχωριστών αλλά παρακείμενων αντικείμενα να εμφανίζονται ως ένα συνεχές αντικείμενο ( όπως παρουσιάζουν τη σύνδεση των ενδοθηλιακών κυττάρων ως ένα αιμοφόρο αγγείο). Αυτό έγινε με συνδέει το κέντρο του κάθε αντικειμένου και την εμφάνιση της σύνδεσης με ένα σωλήνα που μοιάζει με την εικόνα.

Η

Η γλώσσα μοντελοποίησης Statecharts

υπολογιστικό μοντέλο καρκίνου μας σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας η γλώσσα της Statecharts ως κεντρικό [37,38]. Statecharts καθιστά δυνατή για να περιγράψει τη συμπεριφορά των αντιδραστικών συστημάτων σε διακριτό τρόπο, χρησιμοποιώντας ένα οικοδόμημα των μελών και των μεταβάσεων μεταξύ τους με ένα μείγμα από ιεραρχίας και ταυτοχρονισμού. Με τον τρόπο αυτό, μπορεί κανείς να καθορίσετε τη συμπεριφορά των επιμέρους φορέων που συμμετέχουν στη διαδικασία του καρκίνου και τοποθετήστε τα βιολογικά δεδομένα, προκειμένου να συλλάβει και να είναι σε θέση να εκτελέσει τη δυναμική συμπεριφορά και τη μορφολογία του συστήματος. Statecharts είναι εκτελέσιμα σε διάφορα κατάλληλα εργαλεία, όπως Rhapsody, που διατίθεται από την ΙΒΜ, η οποία είναι το εργαλείο που χρησιμοποιείται (

www

.

IBM

.

com /software /awdtools /ραψωδία /

) (βλέπε σχήμα 5).

Μια συμπεριφορά στερεότυπο δημιουργήθηκε για κάθε ένα από τα αντικείμενα χρησιμοποιώντας Statecharts. Κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του μοντέλου πολλές περιπτώσεις κάθε τύπο αντικειμένου δημιουργούνται για να αντιπροσωπεύουν κάθε συγκεκριμένο αντικείμενο την ανάληψη ρητής μελών της αναλόγως. Η statechart του ενδοθηλιακών κυττάρων, όπως παρουσιάζεται εδώ, αποτελείται από διάφορα κράτη ότι το κύτταρο μπορεί να είναι, μερικές από τις οποίες μπορεί να υπάρξει παράλληλα (υποβληθείσα από τις διακεκομμένες γραμμές) και άλλοι που κατοικούν εντός άλλων κρατών, σε ένα ιεραρχικό τρόπο.

Συζήτηση

για να κατανοήσουμε καλύτερα βιολογικά μοντέλα, ένα λεπτομερές και ρεαλιστικό απεικόνιση του μοντέλου μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη. Για το σκοπό αυτό έχουμε αναπτύξει το

SimuLife

εργαλείο, όπου μια κινούμενη δυναμικά κατασκευαστεί σε πραγματικό χρόνο ανάλογα με το μοντέλο, που παράγει μια διαφορετική διαδραστική απεικόνιση της εκτέλεσης του συστήματος κάθε φορά.

Όπως αναφέρθηκε, αν και έχει χρησιμοποιηθεί οπτικοποίηση των βιολογικών μοντέλων στο παρελθόν [22-24], ένας από τους στόχους μας ήταν να κάνουμε το εργαλείο γενικής χρήσης, έτσι ώστε να μπορεί να εξυπηρετήσει μια μεγάλη ποικιλία τύπων των βιολογικών συστημάτων, ιδιαίτερα αυτών που περιγράφουν τα κύτταρα και χρησιμοποιώντας μάνατζερ με βάση τη μοντελοποίηση. Κατ ‘αρχήν, κάθε μοντέλο μπορεί να συνδεθεί με SimuLife, εφ’ όσον μπορεί μηνύματα εξόδου προς την κινούμενη εικόνα μέσω πρίζας. Αυτό θα περιλαμβάνει την πραγματοποίηση αλλαγών στο περιβάλλον εργασίας και τις εικόνες που χρησιμοποιούνται σύμφωνα με το συγκεκριμένο μοντέλο. Θέλαμε επίσης SimuLife να συμβάλει στη βελτίωση της εμπειρίας των δύο προγραμματιστές και τους χρήστες, και να δώσει μια ρεαλιστική ματιά στο μοντέλο λειτουργίας, έτσι ώστε θα ήταν ελκυστικό και χρήσιμο για τους βιολόγους, ακόμα και σε λαϊκούς.

Στην έρευνά μας χρησιμοποιήσαμε τη γλώσσα της Statecharts με το εργαλείο Rhapsody, προκειμένου να δημιουργηθεί ένα ολοκληρωμένο 3D μοντέλο ενός καρκινικού συμπαγούς όγκου, μαζί με το μικροπεριβάλλον του. SimuLife βοήθεια στην παρακολούθηση και την επικύρωση της ανάπτυξης και εξέλιξης του όγκου και των σκαφών. Επέτρεψε βλέποντας τα καρκινικά κύτταρα σε ακριβείς 3D θέσεις τους, μαζί με τα αιμοφόρα αγγεία που αποτελείται από τα επιμέρους ενδοθηλιακών κυττάρων, και την επιμήκυνση τους προς τον όγκο, καθώς και την κατανομή της πυκνότητας μορίων », και άλλα. SimuLife επιτρέπει να παίξει εύκολα με την κινούμενη εικόνα, να στείλετε εντολές πίσω στο μοντέλο κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης και παρατηρήστε την άμεση με αποτέλεσμα εξόδου, καθώς και την προσαρμογή πολλές πτυχές του ίδιου του animation για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του χρήστη. Επίσης, επιτρέπει την προβολή μόνο ορισμένα στοιχεία που παρουσιάζουν ενδιαφέρον και να πάρει πραγματικά τα τρέχοντα ποσοτικά δεδομένα. Ένα τέτοιο εργαλείο είναι σημαντική ιδιαίτερα στην περίπτωση όπου η χωρική οργάνωση είναι μεγάλο ενδιαφέρον. Χρησιμοποιώντας SimuLife για το μοντέλο του καρκίνου μας επέτρεψε να δούμε πώς το μοντέλο μοιάζει με τη συμπεριφορά ενός στερεού όγκου? ένα νεκρωτικό πυρήνα που αναπτύχθηκε στο εσωτερικό μέρος του όγκου [39] και την διακλάδωση των αιμοφόρων αγγείων εμφανίσθηκε πιο συχνά καθώς πλησίαζαν τον όγκο [40]. Αυτά και πολλά άλλα είναι συμπεριφορές που προέκυψαν από το μοντέλο και αποκαλύφθηκαν από την κινούμενη εικόνα. Έχουμε, επίσης, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο όγκος έχει ένα σημείο καμπής, όπου είτε πεθαίνει ή ανακάμψει. Αυτό αποκαλύφθηκε με τη μεταβολή των τιμών των βασικών παραμέτρων που επηρεάζουν ποσότητες του VEGF και του οξυγόνου και σημειώνοντας την συμπεριφορά του όγκου μαζί με την υπόλοιπη εξαρτημάτων του συστήματος. Τα αποτελέσματα αυτά θα συζητηθούν πιο διεξοδικά σε ένα έγγραφο παρακολούθησης, στην οποία θα περιγράψουμε με περισσότερες λεπτομέρειες τα βιολογικά θέματα, καθώς και οι σχετικές γνώσεις που έχει αποκτηθεί από τη διαδραστική απεικόνιση του μοντέλου καρκίνου.

Άλλα εργαλεία απεικόνισης που περιγράφουν υπολογιστικά μοντέλα του καρκίνου υπάρχουν [41,42]. Ωστόσο, είναι θεμελιωδώς διαφορετική από SimuLife σε αυτό το SimuLife βασίζεται στην αντιδραστική animation, όπου η πλατφόρμα animation είναι μια οντότητα εντελώς ξεχωριστό από το μοντέλο? ενώ τα προαναφερθέντα εργαλεία είναι οι πραγματικές μοντέλα, SimuLife είναι αποκλειστικά η κίνηση οδηγείται από το μοντέλο, που χτίστηκε χρησιμοποιώντας μια άλλη γενική προσέγγιση, Statecharts, και υποκείμενο εργαλείο του Rhapsody, και η οποία είναι συνδεδεμένη με SimuLife μέσω RA. Με το διαχωρισμό αυτών των δύο όψεις, το καθένα μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας state-of-the-art εργαλεία [29].

Με περισσότερη προσπάθεια σκοπεύουμε να συνεχίσουμε τη βελτίωση της λειτουργίας SimuLife, καθιστώντας την πιο γενική, μπορείτε να συνδεθείτε εύκολα σε άλλα βιολογικά μοντέλα, άλλες μηχανές μοντελοποίηση, ή άλλες γλώσσες προγραμματισμού, καθώς και τη βελτίωση της απόδοσης του. Τέλος συνεχίζουμε να εργάζονται με το μοντέλο του καρκίνου με τη βοήθεια του SimuLife για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τον όγκο και ίσως αποκτήσουν νέες γνώσεις.

Υποστήριξη Πληροφορίες

S1 κειμένου. Του καρκίνου λεπτομέρειες μοντέλο και μια λίστα παραμέτρων

Λεπτομέρειες σχετικά με το μοντέλο καρκίνου που χρησιμοποιήθηκε με το εργαλείο SimuLife, μαζί με κατάλογο των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο και προκαθορισμένες τιμές τους

doi:.. 10.1371 /περιοδικό. pone.0133484.s001

(DOCX)

S1 βίντεο. Μια πλήρης λειτουργία του μοντέλου καρκίνου σε SimuLife

doi:. 10.1371 /journal.pone.0133484.s002

(MP4)

S2 βίντεο. SimuLife δυνατότητες εργαλείο

doi:. 10.1371 /journal.pone.0133484.s003

(MP4)

S3 βίντεο. Αλλαγή των παραμέτρων ενός μοντέλου σε SimuLife

doi:. 10.1371 /journal.pone.0133484.s004

(MP4)

S4 Βίντεο. Θανάτωση /δημιουργώντας κύτταρα ενός μοντέλου σε Simulife

doi: 10.1371 /journal.pone.0133484.s005

(MP4)

Ευχαριστίες

Σας ευχαριστούμε Eitan Greenberg για τις επαγγελματικές εικόνες που χρησιμοποιείται στο εργαλείο.