恶性肿瘤转移性骨病发病机理生物数学建模及疗法预测评价方法研究

Metastatic bone disease (MBD), which usually happens in advanced cancers, such as breast and prostate cancer, has high morbidity and mortality rate. Currently biological experiments are mainly utilized to investigate the pathogenesis of MBD, and there is no specific model to help analyzing experimental data. However the simple combination of different experimental results cannot fully understand the disease’s pathogenesis and further develop effective treatments. The project will develop a biomathematical model to study the pathogenesis of MBD, and its treatment prediction and evaluation method via in vitro、in vivo and in silico. The specific research content includes: firstly, build a complete biological model including in vitro and in vivo model to replenish experimental data; then construct a mathematical model to study the pathogenesis of MBD, predict potential treatments, and then virtually evaluate their efficacy; finally experimentally test the efficacy of theropies which have passed virtual evaluation based on the built biological model. This multidisciplinary project involves system science and molecular biology, and its findings will help to better understand the pathogenesis of MBD, decrease research costing and shorten research period.

恶性肿瘤转移性骨病作为乳腺癌、前列腺癌等癌症的常见并发症，具有很高的发病率和致死率。当前主要通过生物实验方法研究该疾病发病机理，尚无针对性的数学模型辅助分析实验结果。但是由于该疾病涉及多个因素的交叉作用，不同实验中获得结果的简单叠加，难以揭示其发病机理，更无从开发有效疗法。本项目拟综合运用in vitro、in vivo、in silico三种方法分别构建生物、数学模型研究恶性肿瘤转移性骨病发病机理及疗法预测评价方法，具体内容包括：首先针对现有实验数据的不足，构建完善的生物模型，包括体外培养模型和动物实验模型，健全实验数据；并藉此建立数学模型，研究疾病发病机理、预测潜在疗法、模拟评测疗法疗效；最后基于构建的生物模型，实验评测通过模拟评测的疗法疗效，为临床试验奠定基础。本项目属于系统科学与分子生物学交叉前沿方向，其研究成果有助于探明恶性肿瘤转移性骨病发病机理，降低疗法研究成本、缩短研究周期。

尽管骨组织能够抵御大部分肿瘤细胞的侵扰，但是乳腺癌细胞、前列腺癌细胞等却能够诱使骨微环境向有利于其生长的方向改变，促使肿瘤细胞其在骨微环境下存活和发展，形成恶性肿瘤骨转移，引起转移性骨病。转移性骨病具有很高的发病率和致死率，据不完全统计美国、欧盟，以及日本每年因转移性骨病致死的患者人数超过100万人。在转移性骨病患者中，晚期乳腺癌和前列腺癌约占50%。乳腺癌和前列腺癌患者发生骨转移后，患者的五年生存率仅为20%。当前主要通过生物实验方法研究转移性骨病的形成过程，但是由于其涉及多个因素的复杂交叉作用，不同生物实验中获得结果的简单叠加，难以揭示转移性骨病的发病机理，更无从开发有效的疗法。在此背景下，本项目拟综合运用in vitro、in vivo、in silico三种方法分别构建生物、数学模型研究转移性骨病发病机理及疗法预测评价方法。具体内容包括：首先针对现有实验数据的不 足，构建完善的生物模型，包括体外培养模型和动物实验模型，健全实验数据；并藉此建立数 学模型，研究恶性肿瘤转移性骨病发病机理、预测潜在疗法、模拟评测疗法疗效；最后基于构建的生物模型，实验评测通过模拟评测疗法的疗效，为临床试验奠定基础。本项目的研究成果有助于阐明转移性骨病发病机理，降低疗法的研究成本、缩短研究周期。