Advanced

Statistical Modelling of Cell Cycle Dynamics Analysis and Interpretation of BrdUrd DNA FCM-Derived Data

Larsson Lönn, Sara LU (2007)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Cancer är en av de vanligaste dödsorsakerna i Sverige idag och att kunna ge cancerpatienter en bättre behandling är därför av stort intresse. En del av detta arbete består av att förbättra förståelsen för hur en cellpopulation, eller då speciellt en cancertumör, växer. Ett medel för att öka kunskapen på området är att använda matematiska modeller.



Förmågan att kunna föröka sig är central för alla levande organismer. I såväl encelliga som flercelliga organismer är det de enskilda cellerna som växer, fördubblar mängden material i cellen, bl.a. kopiera's allt DNA, och sedan delar sig i två identiska dotterceller. Denna tillväxtproces's kalla's cellcykeln. Cellcykeln består av en... (More)
Popular Abstract in Swedish

Cancer är en av de vanligaste dödsorsakerna i Sverige idag och att kunna ge cancerpatienter en bättre behandling är därför av stort intresse. En del av detta arbete består av att förbättra förståelsen för hur en cellpopulation, eller då speciellt en cancertumör, växer. Ett medel för att öka kunskapen på området är att använda matematiska modeller.



Förmågan att kunna föröka sig är central för alla levande organismer. I såväl encelliga som flercelliga organismer är det de enskilda cellerna som växer, fördubblar mängden material i cellen, bl.a. kopiera's allt DNA, och sedan delar sig i två identiska dotterceller. Denna tillväxtproces's kalla's cellcykeln. Cellcykeln består av en antal olika faser. Den börjar med G1 fasen där cellen bl.a. förbereder sig för att DNA:t ska fördubbla's, vilket det gör i S fasen. Därefter följer G2 fasen under vilken cellen förbereder sig för mitosen. Mitosen är den sista fasen och det är här cellen delar sig i två dotterceller.



I denna avhandling använd's matematiska modeller för att beskriva hur cellerna framåtskrider genom cellcykeln. Framför allt är det S fasen som studerat's och tiden det tar för den enskilda cellen att fördubbla allt sitt DNA. De celler som huvudsakligen studerat's i detta arbete är bröstcancerceller av en typ som kalla's MCF-7. Det tar olika lång tid för olika celler att fördubbla sitt DNA, men väldigt lite är känt om hur stora de individuella skillnaderna inom cellpopulationen är. För att beskriva individuella variationer behöv's en vis's typ av matematisk modell, nämligen en så kallad stokastisk. I en stokastisk modell tillåt's alla individer bete sig olika men de följer något gemensamt mönster. Detta mönster kalla's fördelning och beskriv's med hjälp av sannolikheter. För att beskriva hur lång tid cellerna tar på sig i S fasen använd's följande tänkesätt. Med en vis's sannolikhet, säg 5%, kommer cellen att ta sig genom S fasen snabbare än en vis's tid. Denna tid kommer, inte helt oväntat, vara betydligt kortare än genomsnittstiden. Så kan vi tänka med samtliga tider. Men en vis's sannolikhet, t.ex. 50%, 75% eller 95%, kommer cellen genomföra S fasen snabbare än denna tid. Det finn's förstå's en minimitid som ingen cell kan vara snabbare än. Det finn's också en maximal tid och på denna tid kommer alla celler hinna fördubbla sitt DNA. Båda dessa tider är svåra att bestämma.



Med hjälp av mätningar som gjort's på celler odlade i laboratorium är det möjligt att bestämma just de tider som nämnt's ovan. Genom att koppla den ovan nämnda stokastiska modellen till mätdata få's att cellerna i snitt behöver 17 timmar på sig att fördubbla sitt DNA innehåll. Det är också möjligt att se att 11% tar mindre än 10 timmar på sig och 5% tar mer än 30 timmar på sig. Variation inom cellpopulationen är alltså relativt stor och den här avhandlingen är ett steg på vägen till att få ökad kunskap om just denna variation. Ännu intressantare kommer det blir när vi till fullo börjar förstå innebörden av den individuella variationen. (Less)
Abstract
It it of great importance to increase the knowledge of various cell cycle kinetic parameters and the objective of this thesis is to use stochastic models to interpret Bromodeoxyuridine (BrdUrd) DNA Flow Cytometry (FCM) derived data in order to estimate such parameters. The cell cycle is the process of growth and division that is essential for an organism to increase in size. The cell cycle consists of several consecutive phases and one of these is the S phase, during which DNA is duplicated. The duration of this phase is the main focus of the thesis although also the following G2 phase is studied. Most of the previous methods developed to estimate the duration of the S phase consider its length as a deterministic value. The variation... (More)
It it of great importance to increase the knowledge of various cell cycle kinetic parameters and the objective of this thesis is to use stochastic models to interpret Bromodeoxyuridine (BrdUrd) DNA Flow Cytometry (FCM) derived data in order to estimate such parameters. The cell cycle is the process of growth and division that is essential for an organism to increase in size. The cell cycle consists of several consecutive phases and one of these is the S phase, during which DNA is duplicated. The duration of this phase is the main focus of the thesis although also the following G2 phase is studied. Most of the previous methods developed to estimate the duration of the S phase consider its length as a deterministic value. The variation within a cell population is large though and to obtain information regarding the variation in S phase duration it is nesessary to consider stochastic models.



When using the BrdUrd DNA FCM method the DNA content can be measured under certain circumstances and the DNA distribution of cells followed through the cell cycle. Cells in S phase are labelled with BrdUrd and it is the DNA content in this subpopulation of cells that is measured at various times after BrdUrd labelling.



In the first place, the models considered in this thesis are based on asymptotic results from branching processes. To obtain information regarding the duration of the S phase it is crucial to have a model for the rate at which DNA is duplicated. There is no parametric model known to describe this rate and therefore nonparametric approaches are proposed. Furthermore, the duration of the S phase is assumed to be gamma distributed, resulting in an expression for the progression of the DNA distribution over time. The derived expression is then compared with the obtained data. However, there is also a measurement variation which has to be modelled. Different approaches are investigated; a deconvolution approach and including the measurement variation in the likelihood.



The estimated durations of the S phase and the G2 phase turn out to be rather large, strengthening the importance of considering stochastic models when modelling cell cycle dynamics. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Nerman, Olle, Göteborg University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
G2 phase duration, DNA replication, flow cytometry, Natural science, Naturvetenskap, S phase duration, DNA distribution, branching processes, cell cycle kinetics
pages
126 pages
defense location
Centre for Mathematical Sciences, Sölvegatan 18, Lund,Room: MH:B
defense date
2007-04-13 10:15
ISSN
1404-0034
ISBN
978-91-628-7119-2
language
English
LU publication?
yes
id
83767af6-4b7e-45e3-a5a4-ee268ec34b91 (old id 548294)
date added to LUP
2007-09-27 15:49:24
date last changed
2016-09-19 08:45:01
@phdthesis{83767af6-4b7e-45e3-a5a4-ee268ec34b91,
  abstract     = {It it of great importance to increase the knowledge of various cell cycle kinetic parameters and the objective of this thesis is to use stochastic models to interpret Bromodeoxyuridine (BrdUrd) DNA Flow Cytometry (FCM) derived data in order to estimate such parameters. The cell cycle is the process of growth and division that is essential for an organism to increase in size. The cell cycle consists of several consecutive phases and one of these is the S phase, during which DNA is duplicated. The duration of this phase is the main focus of the thesis although also the following G2 phase is studied. Most of the previous methods developed to estimate the duration of the S phase consider its length as a deterministic value. The variation within a cell population is large though and to obtain information regarding the variation in S phase duration it is nesessary to consider stochastic models.<br/><br>
<br/><br>
When using the BrdUrd DNA FCM method the DNA content can be measured under certain circumstances and the DNA distribution of cells followed through the cell cycle. Cells in S phase are labelled with BrdUrd and it is the DNA content in this subpopulation of cells that is measured at various times after BrdUrd labelling.<br/><br>
<br/><br>
In the first place, the models considered in this thesis are based on asymptotic results from branching processes. To obtain information regarding the duration of the S phase it is crucial to have a model for the rate at which DNA is duplicated. There is no parametric model known to describe this rate and therefore nonparametric approaches are proposed. Furthermore, the duration of the S phase is assumed to be gamma distributed, resulting in an expression for the progression of the DNA distribution over time. The derived expression is then compared with the obtained data. However, there is also a measurement variation which has to be modelled. Different approaches are investigated; a deconvolution approach and including the measurement variation in the likelihood.<br/><br>
<br/><br>
The estimated durations of the S phase and the G2 phase turn out to be rather large, strengthening the importance of considering stochastic models when modelling cell cycle dynamics.},
  author       = {Larsson Lönn, Sara},
  isbn         = {978-91-628-7119-2},
  issn         = {1404-0034},
  keyword      = {G2 phase duration,DNA replication,flow cytometry,Natural science,Naturvetenskap,S phase duration,DNA distribution,branching processes,cell cycle kinetics},
  language     = {eng},
  pages        = {126},
  school       = {Lund University},
  title        = {Statistical Modelling of Cell Cycle Dynamics Analysis and Interpretation of BrdUrd DNA FCM-Derived Data},
  year         = {2007},
}