Multitype branching processes are ideal for studying the population dynamics of stem cell populations undergoing mutation accumulation over the years following transplant. In such stochastic models, several quantities are of clinical interest as insertional mutagenesis carries the potential threat of leukemogenesis following gene therapy with autologous stem cell transplantation. In this paper, we develop a three-type branching process model describing accumulations of mutations in a population of stem cells distinguished by their ability for long-term self-renewal. Our outcome of interest is the appearance of a double-mutant cell, which carries a high potential for leukemic transformation. In our model, a single-hit mutation carries a slight proliferative advantage over a wild-type stem cells. We compute marginalized transition probabilities that allow us to capture important quantitative aspects of our model, including the probability of observing a double-hit mutant and relevant moments of a single-hit mutation population over time. We thoroughly explore the model behavior numerically, varying birth rates across the initial sizes and populations of wild type stem cells and single-hit mutants, and compare the probability of observing a double-hit mutant under these conditions. We find that increasing the number of single-mutants over wild-type particles initially present has a large effect on the occurrence of a double-mutant, and that it is relatively safe for single-mutants to be quite proliferative, provided the lentiviral gene addition avoids creating single mutants in the original insertion process. Our approach is broadly applicable to an important set of questions in cancer modeling and other population processes involving multiple stages, compartments, or types.


翻译:多类型分流过程是研究移植后数年内正在突变的干细胞人口动态的理想方法。 在这种分流模型中,有几个数量是临床上感兴趣的,因为插入突变在通过自动干细胞移植基因疗法后具有潜在威胁。在本文中,我们开发了一个三类型分流过程模型,描述干细胞人口中突变的积累,而干细胞具有长期自我更新的能力。我们感兴趣的结果是出现一个双变性细胞,它具有很高的腐蚀性转变潜力。在我们的模式中,单振突变对野型干细胞具有轻微的增生优势。我们计算了边缘化的过渡概率,从而能够捕捉到我们模型中重要的数量方面,包括观察双重突变的可能性和一次性突变人口一段时间的相关时刻。我们透彻地探索了模型行为,在初始规模和野生类型干细胞和单倍变异体的增生率。在我们最初类型的干细胞和单倍变异体细胞的模型中,先变异性变异性变异性变异性变异性过程的相对性概率,在目前两种变异性变异性变种中发现一个双重变变种的双重变异性变异性变种的变种中,在一次变种中发现一个新的变种中的变异性变种的变种中,在不断变种中会发生。

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