Výpočtové modelovanie bunkových zhlukov pre ich efektívnu separáciu v inerciálnych tokoch
Školitel
prof. Dr. Mgr. Ivan Cimrák
Študijný program
Aplikovaná informatika
Študijný odbor
Informatika
Detailnejší opis problému
V počítačovom modelovaní tokov bunkových suspenzií (ako napr. krv alebo iná biologická vzorka) sa úspešne používajú biomechanické modely jednotlivých buniek, ako napr. krviniek, cirkulujúcich rakovinových buniek (CTC), krvných doštičiek a podobne. V biologických tokoch však často tieto bunky tvoria zhluky, ako napr. zhluky niekoľkých CTC a tieto zhluky putujú cievnym systémom. Ukazuje sa, že napr. pri metastázovaní cirkulujúcich rakovinových buniek takéto zhluky majú výrazne vyšší metastatický potenciál a často sú práve zhluky CTC zodpovedné za vznik metastázy. Zhluky majú odlišné vlastnosti v toku ako jednotlivé bunky. Otvorenými otázkami sú napr. migrácia zhlukov smerom k stenám ciev, či a ako zhluky ovplyvňujú bezbunkovú vrstvu pri stenách ciev, akým mechanizmom zvyšujú zhluky metastatický potenciál a podobne.
Predpokladaný vedecký prínos (algoritmy, metodológie, ...)
Počítačové modelovanie tokov buniek s vnorenými zhlukmi môže niektoré z týchto otázok aspoň čiastočne zodpovedať. V rámci tejto témy sa budeme zaoberať tvorbou modelu pre zhluky (kompozícia existujúcich modelov jednotlivých buniek), ich validáciou a následnou aplikáciou v analýze zhlukov. Modely jednotlivých buniek sú k dispozícii v existujúcom softvérovom module PyOIF vyvíjanom na pracovisku.
Odporučány postup vedeckého bádania
- štúdium dostupnej literatúry a dokumentácie k existujúcemu modelu jednotlivej bunky, - získavanie dát z biologických experimentov z dostupnej literatúry a zo spolupráce s domácimi a medzinárodnými partnermi pracujúcimi v oblasti experimentálnej biológie, - vývoj modelu zhluku, testovanie a validácia modelu, získavanie simulačných dát pomocou sérií počítačových experimentov, spracovanie a vyhodnocovanie dát, formulácia vedeckých výsledkov, - publikovanie nových poznatkov.
Druh výskumu
základný výskum
Výskumná úloha, ktorej súčasťou bude riešená téma
Projekt VEGA 1/0369/22, názov projektu: Výpočtové modelovanie buniek s jadrom a zhlukov rakovinových buniek v komplexných tokoch
Doterajšie výsledky riešenia na školiacom pracovisku, vrátane odkazov na dostupné zdroje
Výskumná skupina úzko spolupracuje s vývojármi simulačného nástroja ESPResSo na univerzite v Štutgarte, Nemecko. Ďalším partnerom je Danube University, Krems, Rakúsko, kde sa spolupracuje na vývoji modelov. Bol podaný projekt na grant MIT Seed Fund na dvojročnú spoluprácu s prof Ming Dao a jeho tímom na MIT Boston v oblasti štúda bunkových zhlukov v inerciálnych tokoch. Predpoklad je, že grant bude udelený a začne aktívna spolupráca s amerckým tímom. Členom výskumnej skupiny je umožnená účasť na niekoľkých zahraničných konferenciách a na krátkodobých vedeckých návštevách partnerov. Publikované práce (15): 1. I. Jančigová, I. Cimrák, (2015) Non-uniform force allocation for area preservation in spring network models. Int. J. Numer. Meth. Biomed. Engng., doi: 10.1002/cnm.2757I. Cimrák, M. Gusenbauer, I. Jančigová, An ESPResSo implementation of elastic objects immersed in a fluid, Computer Physics Communications, Volume 185, Issue 3, March 2014, Pages 900–907 2. I. Cimrák, I. Jančigová, R. Tóthová, a M. Gusenbauer, (2015). Mesh-based modeling of individual cells and their dynamics in biological fluids. Book: Application of Computational Intelligence in Biomedical Technology, Book series: Studies in Computational Intelligence, Springer, ISBN:978-3-319-19146-1, Vol. 606., p 1-28 3. R. Tóthová I. Cimrák, Local stress analysis of red blood cells in shear flow, AIP Conference Proceedings, 2015, Vol. 1648, eid: 210003, ISBN 978-0-7354-1287-3 4. I. Jančigová, I. Cimrák, A novel approach with non-uniform force allocation for area preservation in spring network models, AIP Conference Proceedings, 2015, Vol. 1648, eid: 210004, ISBN 978-0-7354-1287-3 5. I. Cimrák, A simplified model for dynamics of cell rolling and cell-surface adhesion, AIP Conference Proceedings, 2015, Vol. 1648, eid: 210005, ISBN 978-0-7354-1287-3 6. M. Bušík, Viscoelasticity in spring network models for proper dynamics of cell membrane, Journal of Information, Control and Management Systems, [S.I.], v. 13, n. 1, apr. 2015. ISSN 1336-1716 7. I. Jančigová, A comparison of two computational models for simulations of red blood cells in flow, In: MiST 2015 Mathematics in Science and Technologies: proceedings of the MiST conference 2015 Fačkovské sedlo, Kľak, Slovakia, January 19-24, 2015. University of Žilina, 2015. - ISBN 978-1514866382 8. R. Tóthová, Method of calibration of red blood cell model by stretching experiments, In: MiST 2015 Mathematics in Science and Technologies: proceedings of the MiST conference 2015 Fačkovské sedlo, Kľak, Slovakia, January 19-24, 2015. University of Žilina, 2015. - ISBN 978-1514866382 9. R. Tóthová, I. Jančigová, M. Bušík, Calibration of elastic coefficients for spring-network model of red blood cell in Information and Digial Technologies (IDT) 2015, International Conference, IEEE, July 2015, Slovakia, ISBN 978-1-4673-7185-8, pp. 376-380 10. I. Cimrak, M. Gusenbauer, T. Schrefl, Modelling and simulation of processes in microfluidic devices for biomedical applications Computers an Mathematics with Applications, Vol 64(3), pp. 278-288, 2012 11. I. Cimrák, I. Jančigová, K. Bachratá, H.Bachratý, On elasticity of spring network model sused in blood flow simulations in ESPResSo, In: M. Bischoff, E. Onate, D.R.J. Owen, E. Ramm, P. Wriggers (eds.), PARTICLES 2013, s. 133-144., III International Conference on Particle-based Methods – Fundamentals and Applications, 18-20 September 2013, Stuttgart, Germany. ISBN 978-84-941531-7-4 12. K. Bachratá, H. Bachratý, On modeling blood flow in microfluidic devices in ELEKTRO 2014: 10th International Conference, IEEE, May 2014, Slovakia, ISBN 978-4799-3720-2, pp. 518-521, online 13. I. Jančigová, R. Tóthová, Scalability of forces in mesh-based models of elastic objects in ELEKTRO 2014: 10th International Conference, IEEE, May 2014, Slovakia, ISBN 978-4799-3720-2, pp. 562-566, online 14. R. Tóthová, I. Jančigová, I. Cimrák, Energy contributions of different elastic moduli in mesh-based modeling of deformable objects, in ELEKTRO 2014: 10th International Conference, IEEE, May 2014, Slovakia, ISBN 978-4799-3720-2, pp. 534-538, online 15. I. Cimrák, I. Jančigová, R. Tóthová, Recent advances in mesh-based modeling of individual cell in biological fluids in Digial Technologies (DT) 2014: 10th International Conference, IEEE, July 2014, Slovakia, ISBN 978-1-4799-3303-7, pp. 25-31, online
V prípade otázok sa obráťte na vedúceho témy:
Ivan.Cimrak@fri.uniza.sk