La investigación del Ejército es la primera en desarrollar modelos computacionales utilizando un procedimiento de microbiología que puede usarse para mejorar nuevos tratamientos contra el cáncer y tratar heridas de combate.
Con la técnica, conocida como electroporación, se aplica un campo eléctrico a las células para aumentar la permeabilidad de la membrana celular, lo que permite que se introduzcan en la célula sustancias químicas, fármacos o ADN. Por ejemplo, la electroquimioterapia es unatratamiento del cáncer de vanguardia que utiliza la electroporación como un medio para administrar quimioterapia a las células cancerosas.
La investigación, financiada por el Ejército de EE. UU. Y realizada por investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara y la Universidad de Bordeaux, Francia, ha desarrollado un enfoque computacional para simulaciones paralelas que modela la compleja interacción bioeléctrica a escala de tejido.
Anteriormente, la mayoría de las investigaciones se habían realizado en células individuales y cada célula se comportaba de acuerdo con ciertas reglas.
"Cuando se considera un gran número de ellos juntos, el agregado exhibe comportamientos coherentes novedosos", dijo Pouria Mistani, investigadora de UCSB. "Es este fenómeno emergente el que es crucial para desarrollar teorías efectivas a escala de tejido:comportamientos novedosos que surgen del acoplamiento de muchos elementos individuales ".
Esta nueva investigación, publicada en Revista de física computacional , está financiado por el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate de EE. UU., El laboratorio de investigación corporativa del Ejército conocido como ARL, a través de su Oficina de Investigación del Ejército.
"La investigación matemática nos permite estudiar los efectos bioeléctricos de las células a fin de desarrollar nuevas estrategias contra el cáncer", dijo el Dr. Joseph Myers, jefe de la división de ciencias matemáticas de la Oficina de Investigación del Ejército. "Esta nueva investigación permitiráexperimentos de evolución y tratamiento de células, cancerosas o sanas, en respuesta a una variedad de fármacos candidatos ".
Los investigadores dijeron que un elemento crucial para hacer esto posible es el desarrollo de algoritmos computacionales avanzados.
"Hay muchas matemáticas que se utilizan en el diseño de algoritmos que pueden considerar decenas de miles de células bien resueltas", dijo Frederic Gibou, miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Computación de UCSB.
Otra aplicación potencial es acelerar la cicatrización de heridas de combate mediante pulsaciones eléctricas.
"Es un área emocionante, pero principalmente inexplorada que surge de una discusión más profunda en la frontera de la biología del desarrollo, es decir, cómo la electricidad influye en la morfogénesis", o el proceso biológico que hace que un organismo desarrolle su forma, dijo Gibou."En la curación de heridas, el objetivo es manipular externamente señales eléctricas para guiar a las células a crecer más rápido en la región herida y acelerar el proceso de curación".
El factor común entre estas aplicaciones es su naturaleza física bioeléctrica. En los últimos años, se ha establecido que la naturaleza bioeléctrica de los organismos vivos juega un papel fundamental en el desarrollo de su forma y crecimiento.
Para comprender los fenómenos bioeléctricos, el grupo de Gibou consideró experimentos informáticos sobre esferoides multicelulares en 3-D. Los esferoides son agregados de unas pocas decenas de miles de células que se utilizan en biología debido a su similitud estructural y funcional con los tumores.
"Partimos del modelo fenomenológico a escala celular que se desarrolló en el grupo de investigación de nuestra colega, Clair Poignard, en la Universidad de Bordeaux, Francia, con quien hemos colaborado durante varios años", dijo Gibou.
Este modelo, que describe la evolución del potencial transmembrana en una célula aislada, se ha comparado y validado con la respuesta de una sola célula en experimentos.
"A partir de ahí, desarrollamos el primer marco computacional que puede considerar un agregado celular de decenas de miles de células y simular sus interacciones", dijo. "El objetivo final es desarrollar una teoría eficaz a escala de tejido paraelectroporación. "
Una de las principales razones de la ausencia de una teoría eficaz a escala tisular es la falta de datos, según Gibou y Mistani. Específicamente, el dato que falta en el caso de la electroporación es la evolución temporal del potencial transmembrana de cadacélula individual en un entorno de tejido. Los experimentos no pueden hacer esas mediciones, dijeron.
"Actualmente, las limitaciones experimentales impiden el desarrollo de una teoría de electroporación a nivel de tejido eficaz", dijo Mistani. "Nuestro trabajo ha desarrollado un enfoque computacional que puede simular la respuesta de células individuales en un esferoide a un campo eléctrico, así como suinteracciones mutuas ".
Cada celda se comporta de acuerdo con ciertas reglas.
"Pero cuando se considera un gran número de ellos juntos, el agregado exhibe comportamientos coherentes novedosos", dijo Mistani. "Es este fenómeno emergente el que es crucial para desarrollar teorías efectivas a escala tisular: comportamientos novedosos que surgen deel acoplamiento de muchos elementos individuales. "
Los efectos de la electroporación utilizada en el tratamiento del cáncer, por ejemplo, dependen de muchos factores, como la fuerza del campo eléctrico, su pulso y frecuencia.
"Este trabajo podría aportar una teoría eficaz que ayude a comprender la respuesta del tejido a estos parámetros y así optimizar dichos tratamientos", dijo Mistani. "Antes de nuestro trabajo, las simulaciones más grandes existentes de electroporación de agregados celulares solo consideraban alrededor de cien células en 3-D, o se limitaron a simulaciones 2-D. Esas simulaciones ignoraron la verdadera naturaleza tridimensional de los esferoides o consideraron muy pocas células para que se manifestaran comportamientos emergentes a escala de tejido ".
Los investigadores actualmente están extrayendo este conjunto de datos único para desarrollar una teoría efectiva a escala de tejido de la electroporación de agregados celulares.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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