Modelling the effect of osmotic pressure on cancer cell growth: The role of area size and duration of exposure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: One of the new and effective methods for treating skin cancer and other proliferative diseases, such as psoriasis, is phototherapy, but there is a problem of limiting the penetration of radiation into the depths of the tissue caused by the multiple scattering of the light waves. This problem can be solved by introducing optical clearing agents, many of which are hyperosmotic. In turn, the action of hyperosmotic agents can cause side effects that are induced by the appearance of additional external pressure, which can both increase and decrease the proliferation rate of cancer cells. Materials and Methods: In this work, numerical simulations of a two-dimensional model of an epidermal cell layer on a basal membrane under conditions of additional external pressure are performed. The paper studies the influence of the size of the area of localization of additional pressure, its magnitude and duration of exposure on the proliferation of cancer cells in the area of a binary surface consisting of healthy and cancer cells. Results: Studies were carried out at twofold and fivefold increase of pressure in the selected area (2 kPa and 5 kPa). The influence of the moment of introduction of additional pressure and its duration is also considered in this work. We have determined the parameters at which the rate of cancer cell proliferation slows down. It has been shown that the most pronounced inhibition occurs when applying an additional pressure of 2 kPa in the 1×1 mm region (the size of the entire system is 2×2 mm). The studies were carried out at a twofold and fivefold increase in pressure in the selected area (2 kPa and 5 kPa). Here we have also studied the effect of the duration of exposure if its introduction began at different moments t₀ of Phase 1. It has been shown that for t₀ = 240 the dependence of area covered by cancer cells Φ on the duration of short-term pressure is nonlinear, and for t₀ = 400 this dependence is linear, and the longer impact causes the slowdown of Φ growth.

About the authors

Nadezhda Arturovna Svetlitsyna

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0004-3095-8268
SPIN-code: 2533-7774
Scopus Author ID: 58888460700
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Valery Viсtorovich Tuchin

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-7479-2694
SPIN-code: 7929-3192
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Nadezhda Igorevna Semenova

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0002-9180-3030
SPIN-code: 6741-5068
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

References

  1. Wang Ch., Zeng Y., Chen K.-F., Lin J., Yuan Q., Jiang X., Wu G., Wang F., Jia Y.-G., Li W. A self-monitoring microneedle patch for light-controlled synergistic treatment of melanoma // Bioactive Materials. 2023. № 27. P. 58–71. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.03.016
  2. Apalla Z., Nashan D., Weller R. B., Castellsague X. Skin cancer: Epidemiology, disease burden, pathophysiology, diagnosis, and therapeutic approaches // Dermatol. Ther. 2017. Vol. 7. P. 5–19. https://doi.org/10.1007/s13555-016-0165-y
  3. Lo J. A., Fisher D. E. The melanoma revolution: From UV carcinogenesis to a new era in therapeutics // Science. 2014. Vol. 346, № 6212. P. 945–949. https://doi.org/10.1126/science.1253735
  4. Saginala K., Barsouk A., Aluru J. S., Rawla P., Barsouk A. Epidemiology of melanoma // Med. Sci. 2021. Vol. 9, № 63. https://doi.org/10.3390/medsci9040063
  5. Бахарева Ю. О., Тараканова В. О., Рубаняк М. Ю., Каменских Е. М. Меланома кожи (C43): анализ тенденций заболеваемости и смертности в свете пандемии COVID-19, молекулярная эпидемиологи // Вопросы онкологии. 2023. Т. 69, № 4. С. 631–638. https://doi.org/10.37469/0507-3758-2023-69-4-631-638
  6. Schadendorf D., Berking C., Griewank K. G., Gutzmer R., Hauschild A., Stang A., Roesch A., Ugurel S. Melanoma // The Lancet. 2018. Vol. 392. P. 971–984. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(18)31559-9
  7. Poklepovic A. S., Luke J. J. Considering adjuvant therapy for stage II melanoma // Cancer. 2020. Vol. 12, № 6. P. 116–1174. https://doi.org/10.1002/cncr.32585
  8. Shirzadfar H., Riahi S., Ghaziasgar M. S. Cancer imaging and brain tumor diagnosis // Journal of Bioanalysis & Biomedicine. 2017. Vol. 9, № 1. https://doi.org/10.4172/1948-593X.1000e149
  9. Shirzadfar H., Khanahmadi M. Current approaches and novel treatment methods for cancer and radiotherapy // International Journal of Biosensors & Bioelectronics. 2018. Vol. 4, № 5. P. 224–229. https://doi.org/10.15406/ijbsbe.2018.04.00131
  10. Blackadar C. B. Historical review of the causes of cancer // World J Clin Oncol. 2016. Vol. 7, № 1. P. 54–86. https://doi.org/10.5306/wjco.v7.i1.54
  11. Li Q., Lei X., Zhu J., Zhong Y., Yang J., Wang J., Tan H. Radiotherapy/Chemotherapy-Immunotherapy for Cancer Management: From Mechanisms to Clinical Implications // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2023. Vol. 22. P. 1–9. https://doi.org/10.1155/2023/7530794
  12. Tandle A., Blazer D., Libutti S. Antiangiogenic gene therapy of Cancer: Recent developments // Journal of Translational Medicine. 2024. Vol. 2, № 22. https://doi.org/10.1186/1479-5876-2-22
  13. Kuznetsov M., Kolobov A. Antiangiogenic Therapy Efficacy Can Be Tumor-Size Dependent, as Mathematical Modeling Suggests // Mathematics. 2024. № 12. P. 353 (1–15). https://doi.org/10.20944/preprints202312.1177.v1
  14. Kong C., Chen X. Combined Photodynamic and Photothermal Therapy and Immunotherapy for Cancer Treatment: A Review // International Journal of Nanomedicine. 2022. Vol. 17. P. 6427–6446. https://doi.org/10.2147/IJN.S388996
  15. Тучина Д. К., Меерович И. Г., Синдеева О. А., Жердева В. В., Казачкина Н. И., Соловьев И. Д., Савицкий А. П., Богданов мл. А. А., Тучин В. В. Перспективы мультимодальной визуализации биологических тканей с использованием флуоресцентного имиджинга // Квантовая электроника. 2021. Т. 51, № 2. С. 104–117.
  16. Tuchin V. V., Zhu D., Genina E. A. Handbook of Tissue Optical Clearing: New Prospects in Optical Imaging. Boca Raton, FL : Taylor & Francis Group LLC ; CRC Press, 2022. 688 p.
  17. Ye Y., Lin J. Fingering Instability Accelerates Population Growth of a Proliferating Cell Collective // Physical Review Letters. 2024. № 132. P. 018402 (1–7). https://doi.org/10.1101/2023.05.28.542614
  18. Helmlinger G., Netti P., Lichtenbeld H., Melder R., Jain R. Solid stress inhibits the growth of multicellular tumor spheroids // Nat. Biotechnol. 1997. Vol. 15. P. 778–783. https://doi.org/10.1038/nbt0897-778
  19. Alessandri K., Sarangi B. R., Gurchenkov V. V., Sinha B., Kießling T. R., Fetler L., Rico F., Scheuring S., Lamaze C., Simon A. Cellular capsules as a tool for multicellular spheroid production and for investigating the mechanics of tumor progression in vitro // Proc. Natl. Acad. Sci. 2013. Vol. 110, № 37. P. 14843–14848. https://doi.org/10.1073/pnas.1309482110
  20. Delarue M., Hartung J., Schreck C. F., Gniewek P., Hu L., Herminghaus S., Hallatschek O. Self-driven jamming in growing microbial populations // Nat. Phys. 2016. Vol. 12, № 8. P. 762–766. https://doi.org/10.1038/nphys3741
  21. Rizzuti F., Mascheroni P., Arcucci S., Ben-M’eriem Z., Prunet A., Barentin C., Rivi‘ere C., Delanoë-Ayari H., Hatzikirou H., Guillermet-Guibert J., Delarue M. Mechanical control of cell proliferation increases resistance to chemotherapeutic agents // Phys. Rev. Lett. 2020. Vol. 125, № 12. P. 128103 (1–7). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.128103
  22. Alric B., Formosa-Dague C., Dague E., Holt L., Delarue M. Macromolecular crowding limits growth under pressure // Nat. Phys. 2022. Vol. 18, № 4. P. 411–416. https://doi.org/10.1038/s41567-022-01506-1
  23. Liedekerke P. V., Neitsch J., Johann T., Alessandri K., Nassoy P., Drasdo D. Quantitative cell-based model predicts mechanical stress response of growing tumor spheroids over various growth conditions and cell lines // PLoS Comput. Biol. 2019. Vol. 15. P. e1006273 (1–44). https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006273
  24. Nürnberg E., Vitacolonna M., Klicks J., von Molitor E., Cesetti T., Keller F., Bruch R., Ertongur-Fauth T., Riedel K., Scholz P., Lau T., Schneider R., Meier J., Hafner M., Rudolf R. Routine optical clearing of 3d-cell cultures: Simplicity forward // Frontiers in Molecular Biosciences. 2020. Vol. 7. P. 1–19. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00020
  25. Gunasingh G., Browning A., Haass N. Rapid optical clearing for high-throughput analysis of tumour spheroids // Preprints. 2022. Vol. 186. P. 1–8. https://doi.org/10.20944/preprints202111.0488.v1
  26. Gayathri K., Puja L., Sebastian J., Sivakumar K., Mishra R. Understanding the combined effects of high glucose induced hyper-osmotic stress and oxygen tension in the progression of tumourigenesis: From mechanism to anti-cancer therapeutics // Cells. 2023. Vol. 12, № 6. P. 825 (1–30). https://doi.org/10.3390/cells12060825
  27. Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическое моделирование в биофизике. М. ; Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2003. 402 c.
  28. Романовский Ю. М., Степанова Н. В., Чернавский Д. С. Математическая биофизика. М. : Наука, 1984. 304 с.
  29. Hoshino T., Liu M.-W., Wu K.-A., Chen H.-Y., Tsuruyama T., Komura S. Pattern formation of skin cancers: Effects of cancer proliferation and hydrodynamic interactions // Phys. Rev. E. 2019. Vol. 99, № 3. P. 032416. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.032416
  30. Семенова Н. И., Тучин В. В. Влияние осмотического давления на раковые клетки в трехмерной клеточной решетке и клеточном сфероиде // Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2021. Т. 29, № 4. С. 559–570. https://doi.org/10.18500/0869-6632-2021-29-4-559-570
  31. Semenova N., Tuchin V. V. 3D models of the dynamics of cancer cells under external pressure // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2021. Vol. 31, № 8. P. 083122 (1–8). https://doi.org/10.1063/5.0056764
  32. Svetlitsyna N., Semenova N., Tuchin V. V. Conditions of acceleration and deceleration of the cancer cell growth under osmotic pressure // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2024. Vol. 34, № 2. P. 0211024 (1–6). https://doi.org/10.1063/5.0189550
  33. Программа для моделирования роста меланомы на двумерной поверхности эпидермиса в условиях осмотического и механического давления. Семенова Н. И., Светлицына Н. А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023665951. Заявка № 2023665233. Дата поступления 23.07.2023. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 24 июля 2023 г.
  34. Phototherapy for Psoriasis [сайт]. URL: https:/ /www. psoriasis.org/phototherapy/ (дата обращения: 29.06.2024).
  35. Selifonov A., Selifonova E., Tuchin V. V. Effect of e-liquid on the optical properties of the gingival mucosa: Ex vivo studies // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2023. Vol. 29, iss. 4. P. 7100808 (1–8). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2023.3259244

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».