Modeling the regeneration on the human body : the case of the vascular tumour and p53 metabolism

Abstract

The realm of this dissertation was to study the regeneration process within the complex sciences and produce an extension of the Shirinifard vascular tumour model which could mimic the behaviour of p53 and the first immune response of the organism. Vascular tumours use the regeneration pathway to acess the oxygen supply and increase the growth rate, being one of the most agressive types of tumour known to date. Studying the process has become increasingly important in the search for new drugs and treatments to combat them. As in vitro and in vivo studies are limited to cell cultures and animal biological models, computer simulations can help by integrating the metabolism of several cell types and several chemicals into one simulation and study their interactions and the emergent properties that arise from the model. The main contribution of this dissertation is the development of an extension of the Shirinifard model, a model of the development of a vascular tumour and its relation with the vasculature, which enables the simulation of the immunity of the organism and the metabolism of cellular tumor antigen p53 and its relation with the Hypoxia Inducible Factor enabling the study of different degrees of functionality of p53 and the correspondent outcomes in the morphology and volume of the tumour, as well as it probability of remission. The model developed reveals typical complex systems features such as its emergent properties of tumour volume and morphology being unable to be predicted by the simple rules that model its constituents, namely cells, chemicals and their interactions. The p53 metabolism has revealed a phase change behaviour in which the values attributed to the chemical determined the outcome of the model

Como objectivo desta dissertação, o estudo do processo de renegeração no contexto das ciências da complexidade e a produção de uma extensão do modelo de tumor vascular criado por Shirinifard que conseguisse mimetizar o metabolismo do p53 e a primeira resposta imunitária do organismo. Tumores vasculares usam o metabolismo da regeneração para aceder ao oxigénio e aumentar a taxa de crescimento, sendo um dos tipos de tumores mais agressivos que se conhece. Estudar o processo tornou-se essencial para a pesquisa de novos medicamentos e tratamentos. Como estudos in vitro e in vivo estão limitados a culturas celulares e modelos animais, simulações computacionais podem contribuir integrando o metabolismo de diversos tipos celulares numa simulação, estudando as suas interacções e as propriedades emergentes que surgem dos modelos criados. A principal contribuição desta dissertação é o desenvolvimento de uma extensão do modelo de Shirinifard, um modelos de desenvolvimento de um tumor vascular e a sua relação com a vasculatura, que possibilita a simulação do metabolismo do "cellular tumour antigen p53" e a sua relação com o "Hypoxia Inducible Factor" possibilitando o estudo de diferentes graus de funcionamento do p53 e correspondentes outputs na morfologia e volume do tumor, bem como a sua probabilidade de remissão. O modelo desenvolvido revela comportamentos típicos de sistemas complexos como as suas propriedades emer- gentes de volume e morfologia do tumor serem impossíveis de prever pelas regras simples que regem os seus constituintes, a ver células, químicos e suas interacções. O metabolismo do p53 revelou um comportamento de mudança de fase, dado que os valores atríbuidos ao químico determinaram a resposta do modelo.