A pesquisa do Exército é a primeira a desenvolver modelos computacionais usando um procedimento de microbiologia que pode ser usado para melhorar novos tratamentos de câncer e tratar feridas de combate.

Usando a técnica, conhecido como eletroporação, um campo elétrico é aplicado às células a fim de aumentar a permeabilidade da membrana celular, permitindo produtos químicos, drogas, ou DNA a ser introduzido na célula. Por exemplo, a eletroquimioterapia é um tratamento de câncer de ponta que usa eletroporação como meio de aplicar quimioterapia nas células cancerosas.

A pesquisa, financiado pelo Exército dos EUA e conduzido por pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e Université de Bordeaux, França, desenvolveu uma abordagem computacional para simulações paralelas que modela a complexa interação bioelétrica na escala do tecido.

Anteriormente, a maioria das pesquisas foi conduzida em células individuais, e cada célula se comporta de acordo com certas regras.

"Quando você considera um grande número deles juntos, o agregado exibe novos comportamentos coerentes, "disse Pouria Mistani, pesquisador da UCSB. "É esse fenômeno emergente que é crucial para o desenvolvimento de teorias eficazes na escala do tecido - novos comportamentos que emergem do acoplamento de muitos elementos individuais."

Esta nova pesquisa está publicada no Journal of Computational Physics .

"A pesquisa matemática nos permite estudar os efeitos bioelétricos das células para desenvolver novas estratégias anticâncer, "disse o Dr. Joseph Myers, Chefe da divisão de ciências matemáticas do Gabinete de Pesquisa do Exército. “Esta nova pesquisa permitirá experimentos virtuais mais precisos e capazes de evolução e tratamento de células, canceroso ou saudável, em resposta a uma variedade de drogas candidatas. "

Os pesquisadores disseram que um elemento crucial para tornar isso possível é o desenvolvimento de algoritmos computacionais avançados.

"Há muita matemática envolvida no projeto de algoritmos que podem considerar dezenas de milhares de células bem resolvidas, "disse Frederic Gibou, membro do corpo docente do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência da Computação da UCSB.

Outra aplicação potencial é acelerar a cura de feridas de combate usando pulsação elétrica.

"É emocionante, mas principalmente área inexplorada que decorre de uma discussão mais profunda na fronteira da biologia do desenvolvimento, ou seja, como a eletricidade influencia a morfogênese, "- ou o processo biológico que faz com que um organismo desenvolva sua forma - disse Gibou." Na cura de feridas, o objetivo é manipular externamente sinais elétricos para orientar as células a crescerem mais rápido na região ferida e acelerar o processo de cicatrização. "

O fator comum entre essas aplicações é sua natureza física bioelétrica. Nos últimos anos, foi estabelecido que a natureza bioelétrica dos organismos vivos desempenha um papel fundamental no desenvolvimento de sua forma e crescimento.

Para entender fenômenos bioelétricos, O grupo de Gibou considerou experimentos de computador em esferóides multicelulares em 3-D. Esferóides são agregados de algumas dezenas de milhares de células que são usadas em biologia por causa de sua semelhança estrutural e funcional com tumores.

"Começamos com o modelo fenomenológico em escala celular que foi desenvolvido no grupo de pesquisa de nosso colega, Clair Poignard, na Université de Bordeaux, França, com quem temos colaborado há vários anos, "Gibou disse.

Este modelo, que descreve a evolução do potencial transmembrana em uma célula isolada, foi comparado e validado com a resposta de uma única célula em experimentos.

"De lá, desenvolvemos a primeira estrutura computacional que é capaz de considerar um agregado celular de dezenas de milhares de células e simular suas interações, ", disse ele." O objetivo final é desenvolver uma teoria eficaz à escala do tecido para eletroporação. "

Uma das principais razões para a ausência de uma teoria eficaz na escala do tecido é a falta de dados, de acordo com Gibou e Mistani. Especificamente, os dados que faltam no caso de eletroporação são a evolução temporal do potencial transmembrana de cada célula individual em um ambiente de tecido. Os experimentos não são capazes de fazer essas medições, eles disseram.

"Atualmente, limitações experimentais impedem o desenvolvimento de uma teoria eficaz de eletroporação em nível de tecido, "Mistani disse." Nosso trabalho desenvolveu uma abordagem computacional que pode simular a resposta de células individuais em um esferóide a um campo elétrico, bem como suas interações mútuas. "

Cada célula se comporta de acordo com certas regras.

"Mas quando você considera um grande número deles juntos, o agregado exibe novos comportamentos coerentes, "Mistani disse." É esse fenômeno emergente que é crucial para o desenvolvimento de teorias eficazes na escala do tecido - novos comportamentos que emergem do acoplamento de muitos elementos individuais. "

Os efeitos da eletroporação usada no tratamento do câncer, por exemplo, dependem de muitos fatores, como a força do campo elétrico, seu pulso e frequência.

“Este trabalho pode trazer uma teoria eficaz que ajude a entender a resposta do tecido a esses parâmetros e, assim, otimizar tais tratamentos, "Mistani disse." Antes do nosso trabalho, as maiores simulações existentes de eletroporação de agregados celulares consideraram apenas cerca de cem células em 3-D, ou foram limitados a simulações 2-D. Essas simulações ignoraram a natureza 3-D real dos esferóides ou consideraram poucas células para que comportamentos emergentes em escala de tecido se manifestassem. "

Os pesquisadores estão atualmente explorando este conjunto de dados exclusivo para desenvolver uma teoria eficaz em escala de tecido de eletroporação de agregados celulares.