Juan Jiménez-Sánchez, Anton Popov, Víctor M. Pérez-García, Álvaro Martínez-Rubio, Juan Belmonte-Beitia, Gabriel F. Calvo, Julián Pérez-Beteta, Youness Azimzade, David Molina-García, Matemáticas, [Jiménez-Sánchez,J, Martínez-Rubio,Á, Popov,A, Pérez-Beteta,J, Molina-García,D, Belmonte-Beitia,J, Calvo,GF, Pérez-García,VM] Department of Mathematics, Mathematical Oncology Laboratory (MOLAB), Universidad de Castilla-La Mancha, Ciudad Real, Spain. [Martínez-Rubio,Á] Department of Mathematics, Universidad de Cádiz, Cádiz, Spain. [Martínez-Rubio,Á] Biomedical Research and Innovation Institute of Cádiz (INiBICA), Cádiz, Spain. [Azimzade,Y] Department of Physics, University of Tehran, Tehran, Iran., and This research has been supported by grants awarded to VMPG by James S. Mc. Donnell Foundation, United States of America, 21st Century Science Initiative in Mathematical and Complex Systems Approaches for Brain Cancer (collaborative award 220020560) and Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha, Spain (grant number SBPLY/17/180501/000154). VMPG and GFC thank the funding from Ministerio de Ciencia e Innovación, Spain (grant number PID2019-110895RB-I00). This research has also been supported by a grant awarded to GFC and JBB by the Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha,Spain (grant number SBPLY/19/180501/000211). AMR received support from Asociación Pablo Ugarte http://www.asociacionpablougarte.es). JJS received support from Universidad de Castilla-La Mancha (grant number 2020-PREDUCLM-15634)
Increasingly complex in silico modeling approaches offer a way to simultaneously access cancerous processes at different spatio-temporal scales. High-level models, such as those based on partial differential equations, are computationally affordable and allow large tumor sizes and long temporal windows to be studied, but miss the discrete nature of many key underlying cellular processes. Individual-based approaches provide a much more detailed description of tumors, but have difficulties when trying to handle full-sized real cancers. Thus, there exists a trade-off between the integration of macroscopic and microscopic information, now widely available, and the ability to attain clinical tumor sizes. In this paper we put forward a stochastic mesoscopic simulation framework that incorporates key cellular processes during tumor progression while keeping computational costs to a minimum. Our framework captures a physical scale that allows both the incorporation of microscopic information, tracking the spatio-temporal emergence of tumor heterogeneity and the underlying evolutionary dynamics, and the reconstruction of clinically sized tumors from high-resolution medical imaging data, with the additional benefit of low computational cost. We illustrate the functionality of our modeling approach for the case of glioblastoma, a paradigm of tumor heterogeneity that remains extremely challenging in the clinical setting., Los enfoques de modelado in silico cada vez más complejos ofrecen una forma de acceder simultáneamente a procesos cancerosos en diferentes escalas espacio-temporales. Los modelos de alto nivel, como los que se basan en ecuaciones diferenciales parciales, son computacionalmente asequibles y permiten estudiar tumores de gran tamaño y ventanas temporales largas, pero pasan por alto la naturaleza discreta de muchos procesos celulares subyacentes clave. Los enfoques individuales brindan una descripción mucho más detallada de los tumores, pero tienen dificultades cuando se trata de tratar cánceres reales de tamaño completo. Por lo tanto, existe un compromiso entre la integración de información macroscópica y microscópica, ahora ampliamente disponible, y la capacidad de alcanzar tamaños de tumores clínicos. En este documento, presentamos un marco de simulación mesoscópica estocástica que incorpora procesos celulares clave durante la progresión del tumor y mantiene los costos computacionales al mínimo. Nuestro marco captura una escala física que permite la incorporación de información microscópica, el seguimiento de la aparición espacio-temporal de la heterogeneidad tumoral y la dinámica evolutiva subyacente, y la reconstrucción de tumores de tamaño clínico a partir de datos de imágenes médicas de alta resolución, con el beneficio adicional de bajo costo computacional. Ilustramos la funcionalidad de nuestro enfoque de modelado para el caso del glioblastoma, un paradigma de heterogeneidad tumoral que sigue siendo extremadamente desafiante en el entorno clínico. Nuestro marco captura una escala física que permite la incorporación de información microscópica, el seguimiento de la aparición espacio-temporal de la heterogeneidad tumoral y la dinámica evolutiva subyacente, y la reconstrucción de tumores de tamaño clínico a partir de datos de imágenes médicas de alta resolución, con el beneficio adicional de bajo costo computacional. Ilustramos la funcionalidad de nuestro enfoque de modelado para el caso del glioblastoma, un paradigma de heterogeneidad tumoral que sigue siendo extremadamente desafiante en el entorno clínico. Nuestro marco captura una escala física que permite la incorporación de información microscópica, el seguimiento de la aparición espacio-temporal de la heterogeneidad tumoral y la dinámica evolutiva subyacente, y la reconstrucción de tumores de tamaño clínico a partir de datos de imágenes médicas de alta resolución, con el beneficio adicional de bajo costo computacional. Ilustramos la funcionalidad de nuestro enfoque de modelado para el caso del glioblastoma, un paradigma de heterogeneidad tumoral que sigue siendo extremadamente desafiante en el entorno clínico.