The Era of Radiogenomics in Precision Medicine: An Emerging Approach to Support Diagnosis, Treatment Decisions, and Prognostication in Oncology

With the rapid development of new technologies, including artificial intelligence and genome sequencing, radiogenomics has emerged as a state-of-the-art science in the field of individualized medicine. Radiogenomics combines a large volume of quantitative data extracted from medical images with individual genomic phenotypes and constructs a prediction model through deep learning to stratify patients, guide therapeutic strategies, and evaluate clinical outcomes. Recent studies of various types of tumors demonstrate the predictive value of radiogenomics. And some of the issues in the radiogenomic analysis and the solutions from prior works are presented. Although the workflow criteria and international agreed guidelines for statistical methods need to be confirmed, radiogenomics represents a repeatable and cost-effective approach for the detection of continuous changes and is a promising surrogate for invasive interventions. Therefore, radiogenomics could facilitate computer-aided diagnosis, treatment, and prediction of the prognosis in patients with tumors in the routine clinical setting. Here, we summarize the integrated process of radiogenomics and introduce the crucial strategies and statistical algorithms involved in current studies

Genomic Evolution of Glioblastoma

Understanding how tumors evolve and drive uncontrolled cellular growth may lead to better prognosis and therapy for individuals suffering from cancer. A key to understanding the paths of progression are to develop computational and experimental methods to dissect clonal heterogeneity and statistically model evolutionary routes. This thesis contains results from analysis of genomic data using computational methods that integrate diverse next generation sequencing data and evolutionary concepts to model tumor evolution and delineate likely routes of genomic alterations. First, I introduce some background and present studies into how tumor genomic sequencing tells us about tumor evolution. This will encompass some of the principles and practices related to tumor heterogeneity within the field of computional biology. Second, I will present a study of longitudinal sampling in Glioblastoma (GBM) in cohort of 114 individuals pre- and post-treatment. We will see how genomic alterations were dissected to uncover a diverse and largely unexpected landscape of recurrence. This details major observations that the recurrent tumor is not likely seeded by the primary lesion. Second, to dissect heterogeneity from clonal evolution, multiple biopsies will be added to extend our longitudinal GBM cohort. This new data will introduce analyses to explicate inter and intra-tumor heterogeneity of GBM. Specifically, we identify a metric of intratumor heterogeneity able to identify multisector biopsies and propose a model of tumor growth in multiple GBM. These results will relate to clinical outcome and are in agreement with previously established hypotheses in truncal mutation targeting. Fourth, I will introduce new models of clonal growth applicable to 2 patient biopsies and then fit these to our GBM cohort. Simulations are used to verify models and a brief proof is presented

Mathematical models for glioma growh and migration inside the brain

284 p.Los gliomas forman el subtipo más prevalente, agresivo e invasivo de tumores cerebrales primarios,caracterizados por una rápida proliferación celular y una elevada capacidad de infiltración. A pesar de los avances de la investigación clínica, estos tumores suelen ser resistentes al tratamiento; la supervivencia media oscila entre 9 y 12 meses, siendo la recurrencia la principal causa de mortalidad.La migración y la invasión de los gliomas en el cerebro son fenómenos complejos y aún se desconocen varios de los mecanismos subyacentes que guían la progresión de estos tumores.En esta tesis, proponemos varios modelos matemáticos para estudiar diversos aspectos de la progresión del glioma en relación con las escalas microscópicas y macroscópicas que caracterizan este proceso. Considerar el carácter intrínsico multiescala de la evolución del glioma permite definir modelos basados en sistemas dinámicos, ecuaciones cinéticas y EDP macroscópicas con diferentes roles dependiendo de los fenómenos a estudiar. Uno de los objetivos principales de esta tesis es integrar datos biológicos y clínicos con los modelos matemáticos. Los datos experimentales utilizados se han obtenido de imágenes por resonancia magnética, de imágenes con tensor de difusión del cerebro humano y de análisis de inmunofluorescencia in vivo de distribuciones de varias proteínas en Drosophila, un modelo fiable para el estudio de la dinámica del glioblastoma.Analizamos las características de anisotropía del tejido nervioso, utilizando los datos del tensor de difusión, y la influencia de la estructura de las fibras en la dinámica de las células tumorales.Mostramos cómo la red de fibras guía la migración celular a lo largo de rutas preferenciales,reproduciendo los patrones ramificados y heterogéneos típicos de la evolución del glioma; asimismo,demostramos cómo los tratamientos multimodales pueden reducir este comportamiento.Estudiamos la interdependencia entre la acidez del microambiente y la vascularización en el proceso de angiogénesis tumoral. Para ello, construimos un modelo capaz de reproducir la influencia de estos mecanismos en el desarrollo de la heterogeneidad intratumoral y de características típicas de la progresión del glioma relacionadas con la hipoxia (e.g. la necrosis). Este estudio permite formular una clasificación de los tumores basada en el nivel de necrosis, así como la investigación de terapias multimodales que incluyan efectos antiangiogénicos.Investigamos la influencia de las protrusiones celulares desde una perspectiva no local.Analizamos su rol en el fenómeno de la guía por contacto y en la manifestación de efectos colaborativos o competitivos entre dos estímulos que determinan cambios de dirección de la velocidad celular.Utilizando el análisis experimental de las distribuciones de varias proteínas, evaluamos la relación de las protrusiones celulares con las integrinas y las proteasas como principales mecanismos de progresión del glioblastoma. Mostramos cómo las interacciones bioquímicas y biomecánicas de estos agentes dan como resultado el desarrollo de frentes de propagación tumoral, que pueden presentar una evolución dinámica y heterogénea en relación a los cambios ambientales.bcam:basque center for applied mathematics; La Caixa Foundatio

Mathematical models for glioma growh and migration inside the brain

284 p.Los gliomas forman el subtipo más prevalente, agresivo e invasivo de tumores cerebrales primarios,caracterizados por una rápida proliferación celular y una elevada capacidad de infiltración. A pesar de los avances de la investigación clínica, estos tumores suelen ser resistentes al tratamiento; la supervivencia media oscila entre 9 y 12 meses, siendo la recurrencia la principal causa de mortalidad.La migración y la invasión de los gliomas en el cerebro son fenómenos complejos y aún se desconocen varios de los mecanismos subyacentes que guían la progresión de estos tumores.En esta tesis, proponemos varios modelos matemáticos para estudiar diversos aspectos de la progresión del glioma en relación con las escalas microscópicas y macroscópicas que caracterizan este proceso. Considerar el carácter intrínsico multiescala de la evolución del glioma permite definir modelos basados en sistemas dinámicos, ecuaciones cinéticas y EDP macroscópicas con diferentes roles dependiendo de los fenómenos a estudiar. Uno de los objetivos principales de esta tesis es integrar datos biológicos y clínicos con los modelos matemáticos. Los datos experimentales utilizados se han obtenido de imágenes por resonancia magnética, de imágenes con tensor de difusión del cerebro humano y de análisis de inmunofluorescencia in vivo de distribuciones de varias proteínas en Drosophila, un modelo fiable para el estudio de la dinámica del glioblastoma.Analizamos las características de anisotropía del tejido nervioso, utilizando los datos del tensor de difusión, y la influencia de la estructura de las fibras en la dinámica de las células tumorales.Mostramos cómo la red de fibras guía la migración celular a lo largo de rutas preferenciales,reproduciendo los patrones ramificados y heterogéneos típicos de la evolución del glioma; asimismo,demostramos cómo los tratamientos multimodales pueden reducir este comportamiento.Estudiamos la interdependencia entre la acidez del microambiente y la vascularización en el proceso de angiogénesis tumoral. Para ello, construimos un modelo capaz de reproducir la influencia de estos mecanismos en el desarrollo de la heterogeneidad intratumoral y de características típicas de la progresión del glioma relacionadas con la hipoxia (e.g. la necrosis). Este estudio permite formular una clasificación de los tumores basada en el nivel de necrosis, así como la investigación de terapias multimodales que incluyan efectos antiangiogénicos.Investigamos la influencia de las protrusiones celulares desde una perspectiva no local.Analizamos su rol en el fenómeno de la guía por contacto y en la manifestación de efectos colaborativos o competitivos entre dos estímulos que determinan cambios de dirección de la velocidad celular.Utilizando el análisis experimental de las distribuciones de varias proteínas, evaluamos la relación de las protrusiones celulares con las integrinas y las proteasas como principales mecanismos de progresión del glioblastoma. Mostramos cómo las interacciones bioquímicas y biomecánicas de estos agentes dan como resultado el desarrollo de frentes de propagación tumoral, que pueden presentar una evolución dinámica y heterogénea en relación a los cambios ambientales.bcam:basque center for applied mathematics; La Caixa Foundatio

Mathematical models for glioma growth and migration inside the brain

Gliomas are the most prevalent, aggressive, and invasive subtype of primary brain tumors, characterized by rapid cell proliferation and great infiltration capacity. De- spite the advances of clinical research, these tumors are often resistant to treatment, the median survival ranges between 9 and 12 months, and recurrence is the main cause of mortality. Glioma migration and invasion into the brain tissue is a complex phenomenon and little is still known about the underlying mechanisms that lead to tumor progression. In this thesis, we propose several mathematical models studying various aspects of glioma progression in relation to the microscopic and macroscopic scales charac- terizing this process. Exploiting the inherently multiscale nature of glioma evolution allows to define models based on dynamical systems, kinetic equations, and macro- scopic PDEs with different roles depending on the considered phenomena. The in- tegration of biological and clinical data with the mathematical models is one of the key objectives of this thesis. The experimental data at hand are obtained from mag- netic resonance and diffusion tensor images of the human brain and from in-vivo im- munofluorescence analysis of protein distributions in Drosophila, a reliable model for the study of glioblastoma dynamics. We analyze the anisotropic characteristics of the brain tissue, using the diffusion tensor data, and the influence of the fiber structures on tumor cell dynamics. We show how the fiber network directs cell migration along preferential paths, reproducing the branched and heterogeneous patterns typical of glioma evolution, and how multi- modal treatments can reduce this behavior. We study the interdependency of microenvironmental acidity and vasculature in tumor angiogenesis, defining a model capable of reproducing their influence on the emergence of phenotypic heterogeneity and hypoxia-related features (like necrosis) typical of glioma progression. This study enables the testing of a necrosis-based tumor grading and the investigation of multi-modal therapies with anti-angiogenic effects. We investigated the role of cell protrusions from a non-local perspective. We ex- plore their influence on the contact guidance phenomenon and on the emergence of collaborative or competitive effects between two cues driving cell velocity changes. Using the experimental analysis of protein distributions, we evaluate cell protru- sion relationship with integrins and proteases as leading mechanisms of glioblastoma progression. We show how the biochemical and biomechanical interactions of these agents result in the emergence of tumor propagation fronts, which can feature a dy- namical and heterogenous evolution in relation to environmental changes.European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 713673. ”la Caixa” Foundation (ID 100010434), with fellowship code LCF/BQ/IN17/11620056