52、基于代理的干细胞建模

基于代理的干细胞建模

1. 引言

多智能体系统方法已成为建模和模拟生物复杂系统的有效途径。本文聚焦于成人造血干细胞（HSC）系统的建模与模拟，旨在探究局部细胞相互作用如何产生干细胞系统的特性，如维持自身种群数量和分化功能细胞的能力。我们认为，将成人HSC行为建模为基于代理的系统，是理解这些机制和自组织过程的最佳方式。

近年来，关于干细胞在人体中的行为存在诸多争议，如命运是预先决定还是随机的，以及是依赖内部状态还是细胞外微环境因素。然而，当前实验存在局限性，无法追踪成人干细胞的微观行为。因此，模型和模拟对于解释微观与宏观行为之间的关系至关重要，计算建模和模拟在干细胞研究中的重要性也逐渐被认识。我们提出的基于代理的模型，能够同时描述细胞内行为和细胞层面的系统相互作用，从而构建多层次模型。

1.1 概述

后续内容将先介绍相关生物学背景，讨论实验局限性以及使用正式计算模型的意义。接着描述干细胞概念模型的主要形式，包括单细胞与群体模型、随机与确定性模型，并阐述代理方法的优势。然后介绍代理建模框架，以及如何将现有建模方法“代理化”以解决模型中的不足。最后提供模拟细节，讨论目前的结果和未来工作。

2. 生物学领域 - HSC生物学

2.1 干细胞的基本概念

由于细胞的自然生命周期，组织需要自我更新。为了持续替换死亡细胞，细胞群体中必须包含能够增殖的细胞，产生的子代细胞包括未分化和分化的细胞。具有自我更新和分化能力的细胞被称为干细胞。虽然目前没有统一的干细胞表型或分子定义，但对其功能能力有普遍共识：
- 增殖能力
- 自我更新能力，即能在多次细胞分裂中保持未分化状态
- 分化