托帕斯-组织:在多细胞层面上模拟对电离辐射的生物反应的框架

科学领域:

• 计算生物学 计算生物学
• 辐射物理 辐射物理
• 生物物理学的生物物理.

背景情况:

• 模拟细胞对电离辐射的反应需要在多个尺度上整合物理和生物过程.
• 现有的模型往往缺乏将辐射传输和化学与详细的细胞行为和人口动态联系起来的能力.

研究的目的:

• 开发和验证TOPAS-Tissue,一种新的多尺度模拟框架,用于建模细胞群对电离辐射的生物反应.
• 为了将蒙特卡罗 (MC) 代码TOPAS与基于代理的模型CompuCell3D配对,进行端到端的辐射效应模拟.

主要方法:

• 结合TOPAS (与TOPAS-nBio) 进行轨道结构和化学模拟,并与CompuCell3D进行基于代理的细胞建模.
• 模拟了一种二维PC-3细胞培养克隆原生存活试验,用MVX射线 (0-8 Gy) 照射.
• 纳入了DNA双链断裂 (DSB) 诱导,修复 (双损伤运动模型) 和细胞响应 (p53脉冲模型) 的模型.

主要成果:

• 模拟的细胞生存曲线呈现出线性-正方形的剂量反应.
• 拟合系数 (α = 0.280 ± 0.025/Gy,β = 0.042 ± 0.006/Gy2) 非常符合已发表的实验数据.
• 证明了成功的端到端模拟从辐射和DNA损伤到人口中的细胞命运.

结论:

• TOPAS-Tissue提供了一个可扩展的,全合一的模拟框架,用于对辐射的多层次生物反应.
• 该框架成功地集成了CompuCell3D和TOPAS,使辐射对细胞群的影响能够进行全面的模拟.
• 这种方法通过将物理相互作用与细胞结果联系起来,促进了对辐射生物学的理解.