Προσομοίωση ανάπτυξης καρκινικού όγκου με κυτταρικό αυτόματο

Γιαννακόπουλος, Αλέξανδρος; Giannakopoulos, Alexandros

dc.contributor.author	Γιαννακόπουλος, Αλέξανδρος	el
dc.contributor.author	Giannakopoulos, Alexandros	en
dc.date.accessioned	2024-01-16T10:38:24Z
dc.date.available	2024-01-16T10:38:24Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58575
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26271
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Ανάπτυξη καρκινικού όγκου	el
dc.subject	Χημειοθεραπεία	el
dc.subject	Ραδιοθεραπεία	el
dc.subject	Συνδυασμός θεραπειών	el
dc.subject	Προσομοίωση σε Matlab	el
dc.subject	Cancer tumor growth	en
dc.subject	Chemotherapy	en
dc.subject	Radiotherapy	en
dc.subject	Combination of therapies	el
dc.subject	Matlab simulation	el
dc.title	Προσομοίωση ανάπτυξης καρκινικού όγκου με κυτταρικό αυτόματο	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Υπολογιστική Εμβιομηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-07
heal.abstract	Ο καρκίνος δημιουργείται όταν τα φυσιολογικά κύτταρα σε κάποιο σημείο του σώματος αρχίζουν να αναπτύσσονται ανεξέλεγκτα. Ο καρκίνος είναι η δεύτερη αιτία θανάτου στον κόσμο μετά τις καρδιαγγειακές παθήσεις. Υποψία ύπαρξης καρκίνου δίνουν διάφορες βιοχημικές εξετάσεις, αλλά η διάγνωση γίνεται με αξονική τομογραφία και βιοψία. Η αντιμετώπισή του γίνεται με χημειοθεραπεία, ραδιοθεραπεία, χειρουργική αφαίρεση, ανοσοθεραπεία, γονιδιακή ιατρική και νανοϊατρική. Αντικείμενο της εργασίας αυτής αποτελεί η ανάπτυξη ενός μοντέλου κυτταρικού αυτομάτου για την προσομοίωση ενός αναγγειακού καρκινικού όγκου. Επίσης, διερευνάται η επίδραση χημειοθεραπείας και ραδιοθεραπείας στο ρυθμό ανάπτυξης καρκινικού όγκου, με απώτερο στόχο τη διερεύνηση ενός σχήματος συνδυασμού των δύο θεραπειών με βέλτιστα αποτελέσματα. Σε κάθε θέση του υπολογιστικού χωρίου (το οποίο προσομοιώνει τον ιστό μέσα στον οποίο αναπτύσσεται ο όγκος) επιλύονται μερικές διαφορικές εξισώσεις αντίδρασης-διάχυσης για τα θρεπτικά και υπολογίζονται οι πιθανότητες για τον πολλαπλασιασμό, νέκρωση και μετανάστευση ενός καρκινικού κυττάρου. Για την προσομοίωση της ραδιοθεραπείας προστίθεται μια πιθανότητα νέκρωσης λόγω ακτινοβολίας. Ομοίως και για την χημειοθεραπεία. Στην περίπτωση της χημειοθεραπείας επιλύεται και η εξίσωση διάχυσης του φαρμάκου, καθώς σύμφωνα με το μοντέλο η χημειοθεραπεία μπορεί να προκαλέσει τη νέκρωση καρκινικού κυττάρου όταν η συγκέτρωσή του υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή και το κύτταρο βρίσκεται σε φάση πολλαπλασιασμού (δηλαδή να υπάρχει επάρκεια οξυγόνου και θρεπτικών). Από τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν προκύπτει ότι ο αριθμός των καρκινικών κυττάρων αυξάνεται εκθετικά και η ακτίνα του καρκινικού όγκου αυξάνεται γραμμικά. Στις αρχικές επαναλήψεις των προσομοιώσεων επικρατεί ο μηχανισμός του πολλαπλασιασμού των καρκινικών κυττάρων. Στη συνέχεια λαμβάνει χώρα και η νέκρωση των κυττάρων, με αποτέλεσμα από το κέντρο προς την περιφέρεια να μειώνονται τα καρκινικά σε κάθε θέση και να δημιουργείται νεκρωτικός πυρήνας στο κέντρο. Με χορήγηση θεραπείας είτε ως ραδιοθεραπείας, είτε ως χημειοθεραπείας παρατηρείται ελάττωση του ρυθμού ανάπτυξης. Δοκιμάστηκαν στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής εργασίας, διαφορετικά σχήματα συνδυασμού χορήγησης και βρέθηκε ως βέλτιστη θεραπεία 5 συνεδρίες ραδιοθεραπείας (2 Gy η καθεμία), στην επόμενη μέρα χορήγηση χημειοθεραπείας (40 mg/(m^2 BSA) docetaxel) και στη 10η ημέρα πάλι ραδιοθεραπεία κ.ο.κ. Πραγματοποιούνται συνολικά 5 κύκλοι ραδιοθεραπείας και 6 χορηγήσεις χημειοθεραπείας. Ο όγκος μειώνεται κατά 99.76%. Αν και η τελευταία χορήγηση χημειοθεραπείας γίνεται την ημέρα 176, παρατηρείται περαιτέρω ελάττωση του καρκινικού όγκου μέχρι και 9 μέρες μετά. Στη συνέχεια παρατηρείται μια περίοδος όπου ο όγκος χαρακτηρίζεται από μικρούς ρυθμούς ανάπτυξης, ακολουθούμενη από μια περίοδο όπου ο όγκος αναπτύσσεται και πάλι ραγδαία, καθώς υπάρχουν διάσπαρτες εστίες καρκινικών κυττάρων και αρκετά μεγάλη ποσότητα θρεπτικού συστατικού.	el
heal.abstract	Cancer is created when normal cells somewhere in the body start to grow out of control. Cancer is the second leading cause of death in the world after cardiovascular diseases. Cancer is suspected by various biochemical tests, but the diagnosis is made by computed tomography and biopsy. It is treated with chemotherapy, radiotherapy, surgical removal, immunotherapy, gene therapy and nanomedicine. The aim of this work is the development of a cellular automaton model for the simulation of an avascular cancerous tumor. Also, the effect of chemotherapy and radiotherapy on the growth rate of a cancerous tumor is studied, with the ultimate goal of finding a combination scheme of the two treatments with optimal results. At each position of the computational domain (which simulates the tissue where tumor is growing), partial differential reaction-diffusion equations for nutrients are solved and the probabilities for proliferation, necrosis and migration of a cancer cell are calculated. A radiation necrosis probability is added to simulate radiotherapy. Likewise for chemotherapy. In the case of chemotherapy, the drug diffusion equation is also solved, as according to the model, chemotherapy can cause cancer cell necrosis when its concentration exceeds a critical value and the cell is in a proliferative phase (i.e., there is sufficient oxygen and nutrients). From the simulations performed, it appears that the number of cancer cells increases exponentially and the radius of the tumor volume increases linearly. In the initial iterations of the simulations, the mechanism of cancer cell proliferation is dominant. Cell necrosis then takes place, so from the center to the periphery the cancer cells decrease in each location and a necrotic core is created in the center. With the treatment, either as radiotherapy or as chemotherapy, a reduction in the rate of growth is observed. In this diploma thesis, different combinations of administration schemes were tested and the optimal treatment was found to be 5 sessions of radiotherapy (2 Gy each), the next day chemotherapy (40 mg/(m^2 BSA) docetaxel) and the 10th day again radiotherapy and so on. A total of 5 cycles of radiotherapy and 6 injections of chemotherapy are carried out. The volume is reduced by 99.76%. Although the last injectiom of chemotherapy is at day 176, further reduction of the tumor volume is observed up to 9 days later. Then there is a period when the tumor is characterized by slow growth rates, followed by a period where the tumor grows rapidly again, as there are scattered centers of cancer cells and a large amount of nutrients.	en
heal.advisorName	Καβουσανάκης, Μιχαήλ	el
heal.committeeMemberName	Κόκκορης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ταούκης, Πέτρος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	84 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false