Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/96232
Title: Multi-Phase-Field Models for Biological Systems: From cells to vessels
Authors: Soares, Mauricio Moreira 
Orientador: Travasso, Rui Davide Martins
Keywords: multi-phase-field; cell modelling; cell migration; metastasis; angiogenesis; Interface difusa; modelação celular; migração celular; metástase; angiogénese
Issue Date: 17-Jul-2020
Project: 235101/2014-1 CNPq-Brazil 
UID/FIS/04564/2016
POCI-01-0145-FEDER-031743 
PTDC/BIA-CEL/31743/2017 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: Active cell migration is one of the most fundamental abilities required for the sustainability of complex life forms: since it is essential in diverse processes from morphogenesis to leukocyte chemotaxis in immune response. The movement of a cell is the result of intricate mechanisms, that involve the coordination between mechanical forces, biochemical regulatory pathways and environmental cues. In this thesis we explore cell migration at different scales with a multi-phase-field approach. We start by focusing on epithelial cancer cells that have to employ mechanical strategies in order to migrate through the tissue’s basement membrane and infiltrate the bloodstream during the invasion stage of metastasis. In this work we explore how mechanical interactions such as spatial restriction and adhesion affect migration of a self-propelled droplet in dense fibrous media. Our results indicate that adhesiveness is critical for cell migration, by modulating cell morphology in crowded environments and by enhancing cell velocity. Next we proceed to study endothelial cells migration on fibronectin surfaces. We determine the dependence of cell shape on the adhesive patterns and propose a mathematical model for the intracellular mechanisms for cell adhesion and locomotion. In addition we extend to 3D an active gel model for actomyosin contractility. The preliminary results are promising and indicate a good direction for further studies. We then explore multicellular migration in the context of angiogenesis - the growth of new blood vessels from a pre-existing vasculature. We demonstrate that the increased production of angiogenic factors by hypoxic cells is able to promote vessel anastomoses, the process by which two or more vessels merge. The simulations also verify that the morphology of these networks has an increased resilience toward variations in the endothelial cells' proliferation and chemotactic response. We demonstrate that multi-phase-field models are extremely versatile and can be easily tailored to describe different biological systems at different scales. The minimalistic approaches we propose are able to produce results that are comparable with experimental data and give new insights to guide experimentalists.
A migração celular ativa é um dos mecanismos fundamentais necessários para a sustentabilidade de formas de vida complexas: uma vez que é essencial em diversos processos, desde a morfogênese até a quimiotaxia de leucócitos na resposta imune. O movimento de uma célula é o resultado de mecanismos complexos, que envolvem a coordenação entre forças mecânicas, vias reguladoras bioquímicas e estímulos ambientais. Nesta tese, exploramos a migração celular em diferentes escalas com uma abordagem de interface difusa de multi-componentes. Começamos foco nas células epiteliais cancerígenas que precisam empregar es- tratégias mecânicas para migrar através da membrana basal, de forma a se infiltrar na corrente sanguínea durante o estágio de invasão das metástases. Neste trabalho, exploramos como interações mecânicas, como restrição espacial e adesão, afetam a migração de uma célula ativa em meios fibrosos densos. Nossos resultados indicam que a adesão é fundamental para a migração celular, modulando a morfologia celular em ambientes confinados e aumentando a velocidade celular. A seguir, estudamos a migração de células endoteliais em superfícies de fibronectina. Determinamos a dependência da morfologia celular nos padrões adesivos e propomos um modelo matemático para os mecanismos intracelulares de adesão e locomoção celular. Além disso, estendemos para três dimensões um modelo de gel ativo para contratilidade de actomiosina. Os resultados preliminares são promissores e indicam uma boa direção para novos estudos. Por conseguinte, exploramos a migração multicelular no contexto da angiogênese - o crescimento de novos vasos sanguíneos a partir de uma vasculatura pré-existente. Demonstramos que o aumento da produção de fatores angiogênicos pelas células hipóxicas é capaz de promover anastomoses dos vasos sanguíneos, o processo pelo qual dois ou mais ramos se fundem. As simulações também verificam que a morfologia dessas redes tem maior resiliência a variações na proliferação de células endoteliais e na resposta quimiotática. Demonstramos que os modelos de interface difusa com multi-componentes são extremamente versáteis e podem ser facilmente adaptados para descrever diferentes sistemas biológicos em diferentes escalas. As abordagens minimalistas que propomos são capazes de produzir resultados comparáveis aos dados experimentais e fornecer novas ideias para guiar experimentalistas.
Description: Tese de doutoramento em Física, ramo de Física Computacional, apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/96232
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Física - Teses de Doutoramento
UC - Teses de Doutoramento

Files in This Item:
File Description SizeFormat
Multi-Phase-Field Models for Biological Systems From cells to vessels.pdf34.97 MBAdobe PDFView/Open
Show full item record

Page view(s)

80
checked on Sep 17, 2022

Download(s)

24
checked on Sep 17, 2022

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons