黏弹性可压缩肿瘤生长的相场模型

《Biophysical Journal》：A phase-field model for viscoelastic compressible tumor growth

　　

摘要

生长的肿瘤在其局部微环境中产生并响应应激。组织的重排可以缓解这些机械应力，并使组织变得更像流体。此外，力学转导与生物化学信号之间的复杂耦合导致了复杂的生长模式。为了预测这些非线性相互作用的结局，我们开发了一种相场模型来模拟肿瘤向周围介质的生长，并考虑了其弹性和粘性特性以及可压缩性。我们以质量守恒的方式将粘弹性力学的连续体模型与可扩散促生长营养物质的浓度耦合在一起。此外，相场方法是一种稳定且灵活的方式，能够描述任意形状肿瘤的动态变化。我们证明了相场模型在径向对称几何结构中向尖锐界面模型的收敛性，并可以观察到向静止肿瘤的演变过程。然而，我们的结果表明，这些静止的对称肿瘤在二维和三维空间中会经历由两种主要机制驱动的对称性破缺不稳定性：(i) 由于营养物质梯度引起的差异性生长导致的弹性屈曲不稳定性，以及(ii) 由细胞凋亡相关的体积损失产生的不稳定性。此外，组织的流动性和可压缩性可能导致肿瘤拓扑结构的变化。我们的建模框架为研究组织力学和生长因子信号如何影响实体肿瘤的进展和侵袭潜力提供了一种稳健的方法论。