Survival of living tumor cells underlies many influences such as nutrient saturation, oxygen level, drug concentrations or mechanical forces. Data-supported mathematical modeling can be a powerful tool to get a better understanding of cell behavior in different settings. However, under consideration of numerous environmental factors mathematical modeling can get challenging. We present an approach to model the separate influences of each environmental quantity on the cells in a collective manner by introducing the "environmental stress level". It is an immeasurable auxiliary variable, which quantifies to what extent viable cells would get in a stressed state, if exposed to certain conditions. A high stress level can inhibit cell growth, promote cell death and influence cell movement. As a proof of concept, we compare two systems of ordinary differential equations, which model tumor cell dynamics under various nutrient saturations respectively with and without considering an environmental stress level. Particle-based Bayesian inversion methods are used to quantify uncertainties and calibrate unknown model parameters with time resolved measurements of in vitro populations of liver cancer cells. The calibration results of both models are compared and the quality of fit is quantified. While predictions of both models show good agreement with the data, there is indication that the model considering the stress level yields a better fitting.


翻译:活肿瘤细胞的生存是许多影响的基础,例如营养饱和、氧气水平、药物浓度或机械力量。数据支持的数学模型可以是一个强大的工具,更好地了解不同环境中的细胞行为。然而,在考虑多种环境因素的数学模型时,可以具有挑战性。我们提出了一个方法,通过引入“环境压力水平”来模拟每个环境数量对细胞的不同影响。这是一个不可计量的辅助变量,它量化到如果暴露于某些条件,在紧张状态下可行的细胞将在多大程度上会达到可行的。高压力水平可以抑制细胞生长,促进细胞死亡和影响细胞运动。作为概念的证明,我们比较两种普通差异方程式的系统,在各种养分色度的参数下建模细胞动态,与不考虑环境压力水平。基于粒子的贝氏变异方法用来量化不确定性,并将未知的模型参数与对肝癌细胞受体群的时间确定测量值相校准。两种模型的校准结果都是比较的,而且对适合性的质量是量化的。两种模型的预测表明,两种模型的模型都比得更好,同时考虑数据的产量。

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