셀 기반 모델

Cell-based models

세포 기반 모델은 생물학적 세포를 별개의 실체로 표현하는 수학적 모델입니다.계산 생물학 분야에서 그것들은 종종 단순히 에이전트 기반[1] 모델이라고 불리며, 그것들은 특정 응용 프로그램이고 조직과 같은 다세포 구조의 생체역학을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.시간과 공간에서 조직이 어떻게 조직되는지에 대한 이러한 행동의 영향을 연구하는 것.그들의 주요 장점은 세포 분열, 세포 내 과정 및 세포 [2]집단 내 단일 세포 변동성과 같은 세포 수준의 과정을 쉽게 통합할 수 있다는 것입니다.

특히 심근 세포와 뉴런에 대한 연속체 기반 모델(PDE 기반)도 개발되었습니다.이것들은 명시적인 기하학적 구조를 통해 세포를 나타내고 세포 내 및 세포 외 과정의 공간 분포를 고려합니다.그들은 연구 질문과 영역에 따라 몇 개에서 수천 개의 세포를 포획합니다.특히, 심장 세포의 전기생리학적 모델을 위한 프레임워크는 잘 개발되었고 [3]고성능 컴퓨팅을 사용하여 매우 효율적으로 만들어졌습니다.

모델 유형

셀 기반 모델은 온 격자 모델과 오프 격자 모델로 나눌 수 있습니다.

온라티스

셀룰러 오토마타 또는 셀룰러 포트와 같은 온 격자 모델은 셀의 공간 배열을 고정 그리드로 제한합니다.그런 다음, 기계적 상호 작용은 문헌 기반 규칙([4]셀룰러 오토마타)에 따라 수행되거나 시스템의 총 에너지(셀룰러 포트)[5]를 최소화하여 셀이 한 그리드 포인트에서 다른 그리드 포인트로 이동됩니다.

오프 격자

오프 격자 모델은 공간에서 셀의 지속적인 이동을 허용하고 개별 셀 간의 기계적 상호 작용을 지배하는 힘의 법칙에 따라 시스템을 시간 내에 진화시킵니다.오프 격자 모델의 예는 중심 기반 모델,[6] 정점 기반 모델,[1] 몰입 경계[7] 방법 및 하위 셀 요소 [8]방법에 기반한 모델입니다.그것들은 주로 세포 모양을 나타내는 세부 수준에서 다릅니다.결과적으로 그들은 서로 다른 생물학적 메커니즘을 포착하는 능력, 2차원 모델에서 3차원 모델로 확장하는 데 필요한 노력, 그리고 계산 [9]비용에 있어서도 다양합니다.

가장 간단한 오프 격자 모델인 센터 기반 모델은 세포를 구체로 묘사하고 쌍방향 전위를 [10][11]사용하여 기계적 상호 작용을 모델링합니다.2D와 3D 모두에서 [12]많은 수의 셀로 쉽게 확장됩니다.

꼭짓점

정점 기반 모델은 오프 격자 [1]모델의 하위 집합입니다.그들은 세포막을 다각형 점들의 집합으로 추적하고 세포-세포 접착력과 세포 [13]탄성으로 인한 세포막의 장력에 따라 각 꼭짓점의 위치를 업데이트합니다.구현하기가 더 어렵고 실행 비용도 더 많이 듭니다.시뮬레이션 도중 셀이 서로 지나가기 때문에 다각형 에지 연결의 정기적인 업데이트가 [14]필요합니다.

적용들

세포 확산, 세포 이동 또는 세포 사멸과 같은 세포 수준의 개별 행동을 설명하기 때문에, 세포 기반 모델은 시간과 [2]공간에서 조직이 어떻게 조직되는지에 대한 이러한 행동의 영향을 연구하는 유용한 도구입니다.부분적으로 계산 능력의 증가로 인해, 그들은 단일 세포에 대한 평균을 통해 조직을 점탄성 물질로 취급하는 연속체 역학[15] 모델의 대안으로 등장했습니다.

세포 기반 역학 모델은 종종 관련 유전자 조절 네트워크의 ODE 표현과 같은 세포 내 역학을 설명하는 모델과 결합됩니다.또한 세포-세포 통신을 설명하기 위해 세포 외 기질을 통한 화학 신호 분자의 확산을 설명하는 PDE에 연결하는 것이 일반적입니다.이와 같이, 세포 기반 모델은 상피 형태[17] 형성에서[18] 종양 성장 및 장내[19] 암호 역학에 이르는 다양한[16] 과정을 연구하는 데 사용되었습니다.

시뮬레이션 프레임워크

셀 기반 모델을 구현하는 여러 소프트웨어 패키지가 존재합니다.

이름. 모델 침침한 공개적으로 사용 가능한 소스 코드 설치 지침 사용 설명서 언어 속도 향상
ACAM[20] 오프라티스, ODE 솔버 2D [21] 네. 네. 파이썬
에이전트.jl[22] 센터/에이전트 기반 2D, 3D [23] 네. 네. 줄리아. 분산된.jl
아티스트oo[24] 셀룰러 포트, 셀룰러 오토마톤 2D, (3D) https://github.com/ingewortel/artistoo 네. 네. 자바스크립트
바이오셀리온[25][26] 센터/에이전트 기반 아니요. 네. 네. C++
CBMOS[27] 센터/에이전트 기반 [28] 파이썬 GPU
셀룰러 팟츠.jl 휴대용 포트, 에이전트 기반 2D, 3D https://github.com/RobertGregg/CellularPotts.jl 사용할 준비가 안 된 줄리아.
순결[29][30] 센터/에이전트 기반, 온/오프 격자, 셀룰러 오토마타, 정점 기반, 침지 경계 2D, 3D [31] 네. 네. C++
CompuCell3d[32] 셀룰러 포트, PDE 솔버, 셀 타입 오토마타 3차원 https://github.com/CompuCell3D/CompuCell3D 네. 네. C++, 파이썬 오픈MP
에지[33] 기반 오프라티스, ODE 솔버 2D https://github.com/luckyphill/EdgeBased 네. 네. 매트랩
에피심[34] 센터/에이전트 기반 2D, 3D http://tigacenter.bioquant.uni-heidelberg.de/downloads.html 자바
IAS(활성 [35]표면 상호 작용) FEM, ODE 솔버 3차원 https://github.com/torressancheza/ias 네. 아니요. C++ MPI, OpenMP
아이비셀 침지 경계 2D http://rejniak.net/RejniakLab/LabsTools.html 네. 네. 매트랩
LBI[36] 셀 격자-볼츠만, 침지 경계 2D https://tanakas.bitbucket.io/lbibcell/ 네. 네. C++ 오픈MP
메카젠[37] 센터/에이전트 기반 3차원 https://github.com/juliendelile/MECAGEN 네. 네. C++ CUDA, GPU
최소[38] 셀 ODE 솔버, 확률적 PDE 솔버 3차원 https://github.com/Luthey-Schulten-Lab/Lattice_Microbeshttps://github.com/Luthey-Schulten-Lab/Minimal_Cell 네. 네. 파이썬 CUDA, GPU
모피어스[39] 셀룰러 포트, ODE 솔버, PDE 솔버 2D, 3D https://morpheus.gitlab.io/ 네. 네. C++
넷로고 격자 가스 셀 오토마타 2D, (3D) https://github.com/NetLogo/NetLogo 스칼라, 자바
물리[40] 셀 센터/에이전트 기반, ODE 3차원 https://github.com/MathCancer/PhysiCell 네. 네. C++ 오픈MP
TiSim(이전의 CellSys) 센터/에이전트 기반, 오프라티스, ODE 솔버 2D, 3D 준비 중인
티모시[41] 센터/에이전트 기반 3차원 http://timothy.icm.edu.pl/downloads.html 아니요. 아니요. C MPI, OpenMP
URDME - DLCM[42][43] 워크플로우 FEM, FVM 2D, 3D https://github.com/URDME/urdme 네. 네. 매트랩, C
가상[44] 잎 (2021) 오프 격자 2D https://github.com/rmerks/VirtualLeaf2021 네. 네. C++
얄라[45] 센터/에이전트 기반 3차원 https://github.com/germannp/yalla CUDA, GPU
VCell(가상 셀) ODE 솔버, PDE 솔버, 확률적 PDE 솔버 3차원 https://github.com/virtualcell/vcell 네. 네. Java, C++, Perl
티수[46] 꼭짓점 2D, 3D https://github.com/DamCB/tyssue 네. 네. 파이썬
4DFUCCI 센터/에이전트 기반 3차원 https://github.com/ProfMJSimpson/4DFUCCI 네. 네. 매트랩, C, 파이썬

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