Stochastic modelling of cellular populations: Effects of latency and feedbackl

Abstract

[cat]L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral és l'estudi de l'efecte de les fluctuacions en poblacions acoblades en sistemes biològics, on cèl·lules en estat latent juguen un paper important. Intentant trobar el significat biològic de la dinàmica dels sistemes. Els punts específics que volem abordar i la organització de la tesi estan explicats a continuació. En el Capítol 2, estudiem el comportament de les poblacions de cèl·lules amb estructura jeràrquica des del punt de vista de les propietats d'estabilitat, En particular: - 1. Divisió simètrica contra asimètrica en el compartiment de les cèl·lules mare. Estudiem la robustesa de les poblacions amb estructura jeràrquica, depenent de si les cèl·lules mare es divideixen simètricament, asimètricament o de les dues maneres. Estudiem com la divisió simètrica afecta a l'estabilitat de la població, ja que això té una gran importància en la progressió del càncer. - 2. La competició entre dues poblacions amb diferents tipus de divisió de les cèl·lules mare. Això és crucial per trobar estratègies òptimes que maximitzin la robustesa (supervivència a llarg termini, resistència a invasions i habilitat per invadir) de poblacions amb estructura jeràrquica. - 3. La influència de paràmetres com son la duplicació i el ritme de mort de cèl·lules mare, el temps de vida mitjà de les cèl·lules completament diferenciades, la longitud de les cadenes de diferenciació i les fluctuacions al compartiment de les cèl·lules mare en la robustesa i arquitectura òptima de les cascades de diferenciació. En el Capítol 3 presentem un model homogeni de combinació de HAART amb teràpies d'activació de les cèl·lules latents del VIH-1 a la sang. Estem interessats en: - 1. L'efecte del ritme d'activació de les cèl·lules latents en el temps mitjà de vida de la infecció. En particular analitzem si les teràpies basades en incrementar aquest ritme són capaces de suprimir la infecció en un temps raonable. - 2. La importància de l'eficiència de les teràpies antiretrovirals, incloent els casos límit en que l'eficàcia és del 100%, en la quantitat de càrrega viral. - 3. La formulació d'una teoria asimptòtica basada en l'aproximació semi-clàssica amb aproximacions quasi estacionàries per descriure la dinàmica del procés. La precisió d'aquest mètode asimptòtic és comparat amb simulacions multi-scale proposades pel Cao et al. En el Capítol 4, estenem el model proposat pel Rong i el Perelson a un model no homogeni de la dinàmica del VIH-1 en el corrent sanguini, considerant que les cèl·lules i els virus no estan distribuïts de manera uniforme en la sang. Els punts específics que volem estudiar són: - 1. El mecanisme que fa que apareguin els episodis de virèmia per sobre els límits de detecció, coneguts com viral blips. En particular volem investigar si són producte de fluctuacions estocàstiques degudes a la inhomogenietat o un altre mecanisme ha de ser considerat. - 2. Si l'aparició dels viral blips està afectada pels procediments duts a terme en el laboratori, com el temps d'espera entre les extraccions i les observacions. - 3. Si la probabilitat, l'amplitud i la freqüència dels viral blips es veu afectada pels diferents possibles tipus de producció viral, és a dir, continua vs burst. En el Capítol 5 presentem i discutim els resultats obtinguts, i comparem, quan és possible, amb altres models o amb resultats experimentals, i discutim el treball que deixem pel futur. Els detalls relatius a qüestions metodològiques, això com una introducció a la modelització estocàstica fent servir equacions mestres es donen en els apèndixs. Per a aquells que no estan familiaritzats amb els models basats en equacions mestres, l'autor recomana llegir primer l'apèndix A que proporciona la base matemàtica per entendre el capítol 2. Els Apèndixs B, C i D juntament amb l'Apèndix A donen la base matemàtica necessària per seguir el capítol 3 i el capítol 4.