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.

Usando la técnica, conocido como electroporación, se aplica un campo eléctrico a las células para aumentar la permeabilidad de la membrana celular, permitiendo productos químicos, drogas o ADN para introducirlo en la célula. Por ejemplo, La electroquimioterapia es un tratamiento contra el cáncer de vanguardia que utiliza la electroporación como medio para administrar quimioterapia a las células cancerosas.

La investigación, financiado por el Ejército de los EE. UU. y realizado por investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara y Université de Bordeaux, Francia, ha desarrollado un enfoque computacional para simulaciones paralelas que modela la compleja interacción bioeléctrica a escala de tejido.

Previamente, la mayor parte de la investigación se ha realizado en células individuales, y cada celda se comporta de acuerdo con ciertas reglas.

"Cuando se considera un gran número de ellos juntos, el agregado exhibe comportamientos coherentes novedosos, "dijo Pouria Mistani, investigador 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 se publica en el Revista de física computacional .

"La investigación matemática nos permite estudiar los efectos bioeléctricos de las células para desarrollar nuevas estrategias anticancerígenas, "dijo el Dr. Joseph Myers, Jefe de la división de ciencias matemáticas de la Oficina de Investigación del Ejército. "Esta nueva investigación permitirá experimentos virtuales más precisos y capaces de la evolución y el tratamiento de las células, canceroso o saludable, 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 bastantes matemáticas que intervienen 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 e Informática de UCSB.

Otra aplicación potencial es acelerar la cicatrización de heridas de combate mediante pulsaciones eléctricas.

"Es emocionante, pero principalmente un área inexplorada que surge de una discusión más profunda en la frontera de la biología del desarrollo, a saber, 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 años recientes, 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 nuestro colega, Clair Poignard, en la Université de Bordeaux, Francia, con quien colaboramos desde hace 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.

"Desde allí, Desarrollamos el primer marco computacional que es capaz de 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 para la electroporación ".

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, los datos que faltan en el caso de la electroporación son la evolución temporal del potencial transmembrana de cada célula individual en un entorno tisular. Los experimentos no pueden realizar esas mediciones, ellos dijeron.

"En la actualidad, las limitaciones experimentales impiden el desarrollo de una teoría eficaz de la electroporación a nivel de tejido, ", Dijo Mistani." Nuestro trabajo ha desarrollado un enfoque computacional que puede simular la respuesta de las células individuales en un esferoide a un campo eléctrico, así como sus interacciones mutuas ".

Cada celda se comporta de acuerdo con ciertas reglas.

"Pero cuando consideras un gran número de ellos juntos, el agregado exhibe comportamientos coherentes novedosos, ", Dijo Mistani." Este fenómeno emergente es crucial para desarrollar teorías efectivas a escala de tejido:comportamientos novedosos que surgen del 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 mayores simulaciones existentes de electroporación de agregados celulares solo consideraron alrededor de cien celdas en 3-D, o se limitaron a simulaciones 2-D. Esas simulaciones ignoraron la naturaleza tridimensional real 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.