A Computational study of combination therapies in growing tumors: combination of chemotherapy and radiotherapy

Koutsi, Marina; Κούτση, Μαρίνα

dc.contributor.author	Koutsi, Marina	en
dc.contributor.author	Κούτση, Μαρίνα	el
dc.date.accessioned	2023-03-30T08:09:13Z
dc.date.available	2023-03-30T08:09:13Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57376
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25074
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Computational study	en
dc.subject	Υπολογιστική μελέτη	el
dc.subject	Growing tumor modeling	en
dc.subject	Μοντελοποίηση αναπτυσσόμενων καρκινικών όγκων	el
dc.subject	Combined therapy	en
dc.subject	Συνδυαστική θεραπεία	el
dc.subject	Chemoradiotherapy	en
dc.subject	Χημειοακτινοθεραπεία	el
dc.subject	Finite elemets	en
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.title	A Computational study of combination therapies in growing tumors: combination of chemotherapy and radiotherapy	en
dc.title	Υπολογιστική Διερεύνηση Συνδυαστικών Θεραπειών σε Αναπτυσσόμενους Καρκινικούς Όγκους: Μελέτη Συνδυαστικής Δράσης Χημειοθεραπείας και Ακτινοθεραπείας	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Computational Biomechanics	en
heal.classification	Υπολογιστική Εμβιομηχανική	el
heal.classification	Mathematical Μodeling	en
heal.classification	Μαθηματική Μοντελοποίηση	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-17
heal.abstract	Cancer is a major public health problem worldwide, and it is a well-known killer of humans. Moreover, cancer is a highly complex disease, so it is urgent to be faced by the scientific community. Mathematical models and computer simulations have contributed to a great extent to the research on how to face cancer disease. The mathematical models make good use of the already existing data and predict the process of this disease under specific conditions. In essence, experiments are carried out through computer simulations (in silico) without compromising the safety of each patient. The present master of science thesis deals with the computational study of combination therapies in growing tumors, especially the combination of chemotherapy and radiotherapy. In order to carry out this computational study, a two-dimensional, continuous mathematical model was developed and solved in the environment of COMSOL Multiphysics ®. In the model mentioned above, radiotherapy and chemotherapy were applied to observe how these treatments affect the number of cancer cells and the number of blood vessels connected to these cancer cells. These treatments are applied, either separately or in combination, to the mathematical model. Therefore, combined chemoradiotherapy has resulted in the best results being observed both in terms of the cancer cells and the blood vessels connected to them. Blood vessels are linked to the possibility of cancer cells metastasizing. The chance of tumor metastasis is lower for a small number of blood vessels than for an increased number of vessels. Given that combined chemoradiotherapy treats cancer more effectively, some additional simulations were performed. Combined chemoradiotherapy is applied in these simulations where the start time of both chemotherapy and radiotherapy varies in each therapeutic case. This resulted in the therapeutic efficacy varying depending on the therapeutic case but without substantial differences in the percentages of therapeutic efficacy. Regarding the number of blood vessels in cases where radiotherapy precedes chemotherapy, the number of blood vessels increases at a lower rate compared to cases where chemotherapy precedes radiotherapy. This implies that in the first case, the metastatic potential of the tumor is less compared to the second case of the therapeutic cases. Therefore, the chance of metastasis is also lower when cancer cells have access to fewer blood vessels. In conclusion, the most important outcome that emerged through this study is computational models with radiotherapy and chemotherapy applied separately or a combination of these two treatments. Each model can be applied to a different type of radiotherapy, both in terms of the radiation’s strength and how it is administered to the cancer cells in the tissue. Also, each computational model can be applied to a different cytotoxic drug in terms of its type and administration. It is also established that these models conclude with logical results by applying the respective treatment. For instance, when chemoradiotherapy applied concurrently according to the clinical protocol [1] gives the biggest efficacy compared with the other therapeutic cases. It is worth noting that further study and improvements are required to obtain even more accurate simulations that will respond even more to the growth of a cancerous tumor within a tissue.	en
heal.abstract	Ο καρκίνος αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της δημόσιας υγείας. Τα υψηλά ποσοστά θνησιμότητας και η πολυπλοκότητα της ασθένειας αυτής καθιστά την αντιμετώπισή της από την επιστημονική κοινότητα ως απόλυτη προτεραιότητα. Στην έρευνα για τους τρόπους αντιμετώπισης του καρκίνου συμβάλλουν σε μεγάλο βαθμό τα μαθηματικά μοντέλα και οι υπολογιστικές προσομοιώσεις όπου αξιοποιούν τα ήδη υπάρχοντα δεδομένα και προβλέπουν την πορεία της ασθένειας αυτής κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Στην ουσία πραγματοποιούνται πειράματα μέσω προσομοίωσης στον υπολογιστή (in silico) χωρίς να θέτουν σε κίνδυνο τον ασθενή. Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία πραγματεύεται την υπολογιστική διερεύνηση συνδυαστικών θεραπειών και πιο συγκεκριμένα τη μελέτη συνδυαστικής δράσης Χημειοθεραπείας και Ακτινοθεραπείας, σε αναπτυσσόμενους καρκινικούς όγκους. Για να πραγματοποιηθεί η ανάλυση αυτή, χρησιμοποιήθηκε διδιάστατο, συνεχές μαθηματικό μοντέλο, το οποίο επιλύθηκε στο περιβάλλον του COMSOL Multiphysics ®. Στο προαναφερόμενο μοντέλο, εφαρμόστηκε τόσο ακτινοθεραπεία όσο και χημειοθεραπεία για να παρατηρηθεί πώς οι θεραπείες αυτές επιδρούν στον αριθμό των καρκινικών κυττάρων και στον αριθμό των αιμοφόρων αγγείων που συνδέονται με τα καρκινικά κύτταρα. Οι θεραπείες αυτές εφαρμόζονται είτε ξεχωριστά είτε σε συνδυασμό. Από τους υπολογισμούς, προέκυψε ότι με συνδυαστική χημειοακτινοθεραπεία προκύπτουν τα καλύτερα αποτελέσματα τόσο ως προς τα καρκινικά κύτταρα όσο και ως προς τα αιμοφόρα αγγεία που συνδέονται μ΄ αυτά. Τα αιμοφόρα αγγεία συνδέονται με την πιθανότητα ο καρκίνος να κάνει μετάσταση. Για μικρό αριθμό αιμοφόρων αγγείων η πιθανότητα για μετάσταση είναι μικρότερη σε σύγκριση με τον αυξημένο αριθμό τους. Με δεδομένο λοιπόν ότι η συνδυαστική χημειοακτινοθεραπεία αντιμετωπίζει αποτελεσματικότερα τον καρκίνο έγιναν κάποιες επιπλέον προσομοιώσεις. Στις προσομοιώσεις αυτές εφαρμόζεται συνδυασμένη χημειοακτινοθεραπεία όπου ο χρόνος έναρξης τόσο της χημειοθεραπείας όσο και της ακτινοθεραπείας διαφοροποιούνται σε κάθε θεραπευτικό σχήμα. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να παρατηρηθούν διαφορές μεταξύ των διαφορετικών σχημάτων, όχι όμως τόσο μεγάλες στο ποσοστό της θεραπευτικής αποτελεσματικότητας. Ως προς τον αριθμό των αιμοφόρων αγγείων στις περιπτώσεις όπου η ακτινοθεραπεία προηγείται της χημειοθεραπείας ο αριθμός των αιμοφόρων αγγείων αυξάνεται με μικρότερο ρυθμό σε σχέση με τις περιπτώσεις όπου η χημειοθεραπεία προηγείται της ακτινοθεραπείας. Αυτό συνεπάγεται ότι στην πρώτη περίπτωση το μεταστατικό δυναμικό του καρκινικού όγκου είναι μικρότερο σε σύγκριση με τη δεύτερη περίπτωση των θεραπευτικών περιπτώσεων. Συνεπώς, και η πιθανότητα να γίνει μετάσταση είναι μικρότερη όταν τα καρκινικά κύτταρα έχουν πρόσβαση σε λιγότερα αιμοφόρα αγγεία. Εν κατακλείδι, το σημαντικότερο αποτέλεσμα που προέκυψε μέσω της μελέτης αυτής είναι υπολογιστικά μοντέλα που εφαρμόζουν τόσο την ακτινοθεραπεία όσο τη χημειοθεραπεία και το συνδυασμό αυτών των δύο θεραπειών. Κάθε μοντέλο μπορεί να εφαρμοστεί για διαφορετικό είδος ακτινοθεραπείας, τόσο ως προς την ισχύ της ακτινοβολίας, όσο και ως προς τον τρόπο χορήγησης αυτής στα καρκινικά κύτταρα του ιστού. Επίσης κάθε υπολογιστικό μοντέλο μπορεί να εφαρμοστεί για διαφορετικό κυτταροτοξικό φάρμακο και ως προς το είδος του αλλά και ως προς τον τρόπο χορήγησής του. Επιπλέον διαπιστώνεται ότι τα μοντέλα αυτά ανταποκρίνονται στις εκάστοτε προσδοκίες κρίνοντας από τα αποτελέσματα όπου προκύπτουν μέσω της εφαρμογής της εκάστοτε θεραπείας. Για παράδειγμα εφαρμόζοντας το ιατρικό πρωτόκολλο [1] προκύπτει ότι η συνδυασμένη χημειοακτινοθεραπεία έχει την υψηλότερη θεραπευτική αποτελεσματικότερη σε σχέση με τα υπόλοιπα θεραπευτικά σχήματα που εφαρμόστηκαν. Αξίζει να σημειωθεί ότι απαιτείται περαιτέρω μελέτη και βελτιώσεις, ώστε να προκύπτουν ακόμη πιο ακριβείς προσομοιώσεις οι οποίες θα ανταποκρίνονται ακόμη περισσότερο στην ανάπτυξη ενός καρκινικού όγκου μέσα σ΄ έναν ιστό.	el
heal.advisorName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.advisorName	Kavousanakis, Mihalis	en
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Βησσαρίων	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Papadopoulos, Vissarion	en
heal.committeeMemberName	Charitidis, Constantinos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	92 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false