癌症侵袭与转移中表型可塑性的建模：从微观相互作用到宏观动力学

癌症进展是由 EMT/MET 调控的癌细胞表型变异性与细胞-细胞及细胞-基质相互作用之间的耦合作用所驱动的。我们从一个基于个体的模型出发，其中每个细胞均由其位置、速度以及连续变化的上皮-间质表型来表征；通过动力学描述和平均场极限，推导出两种可选的宏观表述：一种是将质量和动量与表型变量耦合的类欧拉系统，另一种是描述癌细胞密度的单一平流-聚集-扩散方程（AADE）。这两种宏观模型都保留了非局部黏附-排斥力、对演化中的细胞外基质（ECM）的趋触性响应，以及由 TGF-beta 驱动的表型依赖性转变动力学。二维空间中的数值实验表明，宏观方程能够再现个体尺度下获得的关键情形。特别地，微观-宏观比较显示，AADE 的密度解能够准确再现个体细胞群体的空间定位及其表型分解。我们还表明，仅改变 TGF-beta 开关函数的陡峭程度，就会使 EMT 响应从近乎二元的上皮-间质（EM）分离转变为部分 EM 表型。该研究为从随机、异质性的细胞动力学到连续介质描述提供了系统性的桥梁，可用于研究表型驱动的肿瘤侵袭，并为大尺度数值模拟和解析研究中的宏观模型选择提供支持。

癌症进展由以下因素之间的相互作用所驱动：由 EMT/MET 调控的癌细胞表型变异性，以及细胞—细胞和细胞—基质相互作用。我们从一个基于个体的模型出发，其中每个细胞均以其位置、速度以及连续变化的上皮—间质表型为特征，通过动力学描述和平均场极限，推导出两种可选的宏观表述：一种是将质量和动量与表型变量耦合的类欧拉系统，另一种是针对癌细胞密度的单一平流—聚集—扩散方程（AADE）。这两种宏观模型均保留了非局域黏附—排斥力、对演化中的细胞外基质（ECM）的趋触性响应，以及由 TGF-β 驱动的表型依赖型转变动力学。二维空间中的数值实验表明，这些宏观方程能够重现个体尺度下得到的关键情形。特别是，微观—宏观比较显示，AADE 的密度解能够准确再现个体细胞群体的空间定位及其表型分解。我们还证明，仅改变 TGF-β 开关函数的陡峭程度，就会使 EMT 响应从近乎二元的上皮—间质（EM）分离转变为部分 EM 表型。该研究为从随机、异质性的细胞动力学到连续介质描述建立了系统性桥梁，可用于研究表型驱动的肿瘤侵袭，并为大规模数值模拟和解析研究中宏观模型的选择提供支持。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.17.739105v1?rss=1

🏷️ 癌症转移 EMT/MET 表型可塑性 数学建模 细胞外基质 TGF-β