Summary

 Emergence of invasive behavior in cancer is life-threatening, yet ill-defined due to its multifactorial nature. We present a multiscale mathematical model of cancer invasion, which considers cellular and microenvironmental factors simultaneously and interactively. Unexpectedly, the model simulations predict that harsh tumor microenvironment conditions (e.g., hypoxia, heterogenous extracellular matrix) exert a dramatic selective force on the tumor, which grows as an invasive mass with fingering margins, dominated by a few clones with aggressive traits. In contrast, mild microenvironment conditions (e.g., normoxia, homogeneous matrix) allow clones with similar aggressive traits to coexist with less aggressive phenotypes in a heterogeneous tumor mass with smooth, noninvasive margins. Thus, the genetic make-up of a cancer cell may realize its invasive potential through a clonal evolution process driven by definable microenvironmental selective forces. Our mathematical model provides a theoretical/experimental framework to quantitatively characterize this selective pressure for invasion and test ways to eliminate it.

Journal Article A hybrid mathematical model of solid tumour invasion: the importance of cell adhesion Get access Alexander R. A. Anderson Alexander R. A. Anderson Division of Mathematics, University of Dundee, Dundee DD1 4HN, UK **Email: anderson@maths.dundee.ac.uk Search for other works by this author on: Oxford Academic Google Scholar Mathematical Medicine and Biology: A Journal of the IMA, Volume 22, Issue 2, June 2005, Pages 163–186, https://doi.org/10.1093/imammb/dqi005 Published: 01 June 2005

Abstract This study addresses the role of PTEN loss in intrinsic resistance to the BRAF inhibitor PLX4720. Immunohistochemical staining of a tissue array covering all stages of melanocytic neoplasia (n = 192) revealed PTEN expression to be lost in >10% of all melanoma cases. Although PTEN expression status did not predict for sensitivity to the growth inhibitory effects of PLX4720, it was predictive for apoptosis, with only limited cell death observed in melanomas lacking PTEN expression (PTEN−). Mechanistically, PLX4720 was found to stimulate AKT signaling in the PTEN− but not the PTEN+ cell lines. Liquid chromatography multiple reaction monitoring mass spectrometry (LC-MRM) was performed to identify differences in apoptosis signaling between the two cell line groups. PLX4720 treatment significantly increased BIM expression in the PTEN+ (>14-fold) compared with the PTEN− cell lines (four-fold). A role for PTEN in the regulation of PLX4720-mediated BIM expression was confirmed by siRNA knockdown of PTEN and through reintroduction of PTEN into cells that were PTEN−. Further studies showed that siRNA knockdown of BIM significantly blunted the apoptotic response in PTEN+ melanoma cells. Dual treatment of PTEN− cells with PLX4720 and a PI3K inhibitor enhanced BIM expression at both the mRNA and protein level and increased the level of apoptosis through a mechanism involving AKT3 and the activation of FOXO3a. In conclusion, we have shown for the first time that loss of PTEN contributes to intrinsic BRAF inhibitor resistance via the suppression of BIM-mediated apoptosis. Cancer Res; 71(7); 2750–60. ©2011 AACR.

Angiogenesis, the growth of a network of blood vessels, is a crucial component of solid tumour growth, linking the relatively harmless avascular growth phase and the potentially fatal vascular growth phase. As a process, angiogenesis is a well-orchestrated sequence of events involving endothelial cell migration, proliferation; degradation of tissue; new capillary vessel (sprout) formation; loop formation (anastomosis) and, crucially, blood flow through the network. Once there is blood flow associated with the nascent network, the subsequent growth of the network evolves both temporally and spatially in response to the combined effects of angiogenic factors, migratory cues via the extracellular matrix and perfusion-related haemodynamic forces in a manner that may be described as both adaptive and dynamic. In this paper we present a mathematical model which simultaneously couples vessel growth with blood flow through the vessels—dynamic adaptive tumour-induced angiogenesis (DATIA). This new mathematical model presents a theoretical and computational investigation of the process and highlights a number of important new targets for therapeutic intervention. In contrast to earlier flow models, where the effects of perfusion (blood flow) were essentially evaluated a posteriori, i.e. after generating a hollow network, blood flow in the model described in this paper has a direct impact during capillary growth, with radial adaptations and network remodelling occurring as immediate consequences of primary anastomoses. Capillary network architectures resulting from the dynamically adaptive model are found to differ radically from those obtained using earlier models. The DATIA model is used to examine the effects of changing various physical and biological model parameters on the developing vascular architecture and the delivery of chemotherapeutic drugs to the tumour. Subsequent simulations of chemotherapeutic treatments under different parameter regimes lead to the identification of a number of new therapeutic targets for tumour management.

In this article, we present a new multiscale mathematical model for solid tumour growth which couples an improved model of tumour invasion with a model of tumour-induced angiogenesis. We perform nonlinear simulations of the ulti-scale model that demonstrate the importance of the coupling between the development and remodeling of the vascular network, the blood flow through the network and the tumour progression. Consistent with clinical observations, the hydrostatic stress generated by tumour cell proliferation shuts down large portions of the vascular network dramatically affecting the flow, the subsequent network remodeling, the delivery of nutrients to the tumour and the subsequent tumour progression. In addition, extracellular matrix degradation by tumour cells is seen to have a dramatic affect on both the development of the vascular network and the growth response of the tumour. In particular, the newly developing vessels tend to encapsulate, rather than penetrate, the tumour and are thus less effective in delivering nutrients.

The emergence of novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) variants stresses the continued need for next-generation vaccines that confer broad protection against coronavirus disease 2019 (COVID-19). We developed and evaluated an adjuvanted SARS-CoV-2 Spike Ferritin Nanoparticle (SpFN) vaccine in nonhuman primates (NHPs). High-dose (50 µ g) SpFN vaccine, given twice within a 28 day interval, induced a Th1-biased CD4 T cell helper response and a peak neutralizing antibody geometric mean titer of 52,773 against wild-type virus, with activity against SARS-CoV-1 and minimal decrement against variants of concern. Vaccinated animals mounted an anamnestic response upon high-dose SARS-CoV-2 respiratory challenge that translated into rapid elimination of replicating virus in their upper and lower airways and lung parenchyma. SpFN's potent and broad immunogenicity profile and resulting efficacy in NHPs supports its utility as a candidate platform for SARS-like betacoronaviruses.A SARS-CoV-2 Spike protein ferritin nanoparticle vaccine, co-formulated with a liposomal adjuvant, elicits broad neutralizing antibody responses that exceed those observed for other major vaccines and rapidly protects against respiratory infection and disease in the upper and lower airways and lung tissue of nonhuman primates.

The need for SARS-CoV-2 next-generation vaccines has been highlighted by the rise of variants of concern (VoC) and the long-term threat of other coronaviruses. Here, we designed and characterized four categories of engineered nanoparticle immunogens that recapitulate the structural and antigenic properties of prefusion Spike (S), S1 and RBD. These immunogens induced robust S-binding, ACE2-inhibition, and authentic and pseudovirus neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 in mice. A Spike-ferritin nanoparticle (SpFN) vaccine elicited neutralizing titers more than 20-fold higher than convalescent donor serum, following a single immunization, while RBD-Ferritin nanoparticle (RFN) immunogens elicited similar responses after two immunizations. Passive transfer of IgG purified from SpFN- or RFN-immunized mice protected K18-hACE2 transgenic mice from a lethal SARS-CoV-2 virus challenge. Furthermore, SpFN- and RFN-immunization elicited ACE2 blocking activity and neutralizing ID50 antibody titers >2,000 against SARS-CoV-1, along with high magnitude neutralizing titers against major VoC. These results provide design strategies for pan-coronavirus vaccine development.

Abstract “Control and conquer” - this is the philosophy behind adaptive therapy, which seeks to exploit intra-tumoural competition to avoid, or at least, delay the emergence of therapy resistance in cancer. Motivated by promising results from theoretical, experimental and, most recently, a clinical study in prostate cancer, there is an increasing interest in extending this approach to other cancers. As such, it is urgent to understand the characteristics of a cancer which determine whether it will respond well to adaptive therapy, or not. A plausible candidate for such a selection criterion is the fitness cost of resistance. In this paper, we study a simple competition model between sensitive & resistant cell populations to investigate whether the presence of a cost is a necessary condition for adaptive therapy to extend the time to progression beyond that of a standard-of-care continuous therapy. We find that for tumours close to their environmental carrying capacity such a cost of resistance is not required. However, for tumours growing far from carrying capacity, a cost may be required to see meaningful gains. Notably, we show that in such cases it is important to consider the cell turnover in the tumour and we discuss its role in modulating the impact of a cost of resistance. Overall, our work helps to clarify under which circumstances adaptive therapy may be beneficial, and suggests that turnover may play an unexpectedly important role in the decision making process.

Abstract (1) Background: Adaptive therapy aims to tackle cancer drug resistance by leveraging intra-tumoral competition between drug-sensitive and resistant cells. Motivated by promising results in prostate cancer there is growing interest in extending this approach to other cancers. Here we present a theoretical study of intra-tumoral competition during adaptive therapy, to identify under which circumstances it will be superior to aggressive treatment; (2) Methods: We use a 2-D, on-lattice, agent-based tumour model to examine the impact of different microenvironmental factors on the comparison between continuous drug administration and adaptive therapy. (3) Results: We show that the degree of crowding, the initial resistance fraction, the presence of resistance costs, and the rate of tumour cell turnover are key determinants of the benefit of adaptive therapy, and we study in detail how these factors alter competition between cells. We find that intra-specific competition between resistant cells plays an unexpectedly important role in the ability to control resistance. To conclude we show how differences in resistance cost and turnover change the tumour’s spatial organisation and may explain differences in cycling speed observed in a cohort of 67 prostate cancer patients undergoing intermittent androgen deprivation therapy; (4) Conclusion: Our work provides insights into how adaptive therapy leverages inter- and intra-specific competition to control resistance, and shows that the tumour’s spatial architecture will likely be an important factor in determining the quantitative benefit of adaptive therapy in patients.