Guided in-silico modelling quantification of drug-induced viral mimicry response in cervical cancer
Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία
Author
Papadopoulos, John
Date
2025-02-11Subject
Cervix uteri—Cancer ; Genetic algorithms ; Bayesian statistical decision theory ; Drugs-Research ; Τράχηλος της μήτρας -- Καρκίνος ; Γενετικοί αλγόριθμοι ; Bayesian στατιστική θεωρία αποφάσεων ; Computer software ; Λογισμικό υπολογιστών ; Φάρμακα-ΈρευναKeywords
Agent Based Modeling ; Cervical cancer ; Genetic Algorithm ; Biodynamo ; In-silico modeling ; Bayesian OptimizationAbstract
Cervical cancer is one of the most common female cancers with the worldwide number of new cases and deaths reaching hundreds of thousands every year with a rising trend posing a major health issue. This situation creates the need for better understanding of the mechanisms that drive the tumor growth and subsequently promote the study of effective drugs or agents that stop or reduce the growth of the tumor. The gold standard for performing these kinds of analysis is the real world
cell cultivation method.
However, performing real world cell cultivation experiments comes with high cost it terms of time and resources and new approaches have to be used such as the use of computational methods and specifically the agent based modeling and simulation (ABM/(S)) method. The aim of this thesis is the exploration of the possibility of using decitabine (DAC) a DNA methyltransferase (DNMT) inhibitor as a potential treatment for cervical cancer using the (ABM/(S)) method.
For archiving this, we use the biodynamo (ABM/(S)) platform for creating dif- ferent models that try to reflect the results of real world cell cultivation of HELA cells in three different cases that correspond to untreated cells and cells exposed to lower and higher dosages of DAC respectively. In order to fit those real world data, our models explore 10 different properties that affect the cell growth, division and death and this exploration is being done with by use of either Bayesian optimiza- tion or genetic algorithm with different distance functions (L1 and L2) for score calculation in each different model.
We have observed that the parameters found by the models that are based on genetic algorithm (and especially those which are using the L2 distance function) make a better fit of the real world data in every different examined case from those models based on the Bayesian optimization algorithm and this is shown by presenting analytical results for every different model as well as model-to-model comparisons in respect to the real world data.
Abstract
Ο καρκίνος του τραχήλου της μήτρας είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους γυναικείους καρκίνους με εκατοντάδες χιλιάδες νεα κρούσματα και θανάτους κάθε χρονο και αποτελεί ενα μείζον πρόβλημα υγείας. Αυτή η κατάσταση δημιουργεί την ανάγκη για καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών που οδηγούν την ανάπτυξη του όγκου και στη συνέχεια προωθούν τη μελέτη αποτελεσματικών φαρμάκων ή παραγόντων που σταματούν ή μειώνουν την ανάπτυξη του όγκου. Η πρότυπη μέθοδος για την εκτέλεση αυτού του είδους των αναλύσεων είναι η μέθοδος καλλιέργειας κυττάρων στον πραγματικό κόσμο.
Ωστόσο, η πραγματοποίηση πειραμάτων καλλιέργειας κυττάρων στον πραγματικό κόσμο έχει υψηλό κόστος από άποψη χρόνου και πόρων και πρέπει να χρησιμοποιηθούν νέες προσεγγίσεις, όπως η χρήση υπολογιστικών μεθόδων και συγκεκριμένα η μέθοδος agent based modeling and simulation (ABM/(S)). Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης του decitabine (DAC) ενός αναστολέα της μεθυλοτρανσφεράσης του DNA (DNMT) ως πιθανής θεραπείας για τον καρκίνο του τραχήλου της μήτρας με τη μέθοδο (ABM/(S)).
Για την πραγματοποίηση αυτού, χρησιμοποιούμε την (ABM/(S)) πλατφόρμα Bio- Dynamo για τη δημιουργία διαφορετικών μοντέλων που προσπαθούν να αντικατοπτρί- ζουν τα αποτελέσματα της κυτταρικής καλλιέργειας κυττάρων HELA στον πραγματικό κόσμο σε τρεις διαφορετικές περιπτώσεις που αντιστοιχούν σε αθεράπευτα κύτταρα και κύτταρα που εκτίθενται σε χαμηλότερες και υψηλότερες δόσεις DAC αντίστοιχα. Για την προσαρμογή των μοντέλων μας στα δεδομένα του πραγματικού κόσμου, εξερευνούμε 10 διαφορετικές ιδιότητες που επηρεάζουν την ανάπτυξη, τη διαίρεση και τον θάνατο των κυττάρων και αυτή η εξερεύνηση γίνεται με τη χρήση είτε του Bayesian optimization είτε του γενετικού αλγορίθμου με διαφορετικές συναρτήσεις απόστασης (L1 και L2) για τον υπολογισμό του σκορ σε κάθε διαφορετικό μοντέλο.
Παρατηρήσαμε ότι οι παράμετροι που βρέθηκαν από τα μοντέλα που βασίζονται σε γενετικό αλγόριθμο (και ειδικά εκείνα που χρησιμοποιούν τη συνάρτηση απόστασης L2) έχουν καλυτερη προσαρμογή στα δεδομένα του πραγματικού κόσμου σε κάθε διαφορετική εξεταζόμενη περίπτωση από αυτά τα μοντέλα που βασίζονται σε Bayesian optimization και αυτό φαίνεται με την παρουσίαση αναλυτικών αποτελεσμάτων για κάθε διαφορετικό μοντέλο καθώς και συγκρίσεις μοντέλου-με-μοντέλο σε σχέση με τα δεδομένα του πραγματικού κόσμου.