Legeronderzoek is het eerste dat computationele modellen heeft ontwikkeld met behulp van een microbiologische procedure die kan worden gebruikt om nieuwe kankerbehandelingen te verbeteren en gevechtswonden te behandelen.

Met behulp van de techniek, bekend als elektroporatie, een elektrisch veld wordt toegepast op cellen om de doorlaatbaarheid van het celmembraan te vergroten, chemicaliën toestaan, verdovende middelen, of DNA dat in de cel moet worden ingebracht. Bijvoorbeeld, elektrochemotherapie is een geavanceerde kankerbehandeling die elektroporatie gebruikt als middel om chemotherapie in kankercellen af ​​te geven.

Het onderzoek, gefinancierd door het Amerikaanse leger en uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara en Université de Bordeaux, Frankrijk, heeft een computationele benadering ontwikkeld voor parallelle simulaties die de complexe bio-elektrische interactie op weefselschaal modelleren.

Eerder, het meeste onderzoek is gedaan op individuele cellen, en elke cel gedraagt ​​zich volgens bepaalde regels.

"Als je een groot aantal van hen samen bekijkt, het aggregaat vertoont nieuw coherent gedrag, " zei Pouria Mistani, een onderzoeker bij UCSB. "Het is dit opkomende fenomeen dat cruciaal is voor het ontwikkelen van effectieve theorieën op weefselschaal - nieuw gedrag dat voortkomt uit de koppeling van veel individuele elementen."

Dit nieuwe onderzoek is gepubliceerd in de Journal of Computational Physics .

"Wiskundig onderzoek stelt ons in staat om de bio-elektrische effecten van cellen te bestuderen om nieuwe antikankerstrategieën te ontwikkelen, " zei Dr. Joseph Myers, Afdelingshoofd van de afdeling wiskunde van het onderzoeksbureau van het leger. "Dit nieuwe onderzoek zal nauwkeurigere en capabelere virtuele experimenten mogelijk maken van de evolutie en behandeling van cellen, kanker of gezond, als reactie op een verscheidenheid aan kandidaat-geneesmiddelen."

Onderzoekers zeiden dat een cruciaal element om dit mogelijk te maken de ontwikkeling van geavanceerde computationele algoritmen is.

"Er komt nogal wat wiskunde kijken bij het ontwerpen van algoritmen die rekening kunnen houden met tienduizenden goed opgeloste cellen, " zei Frederic Gibou, een faculteitslid bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Computerwetenschappen aan de UCSB.

Een andere mogelijke toepassing is het versnellen van wondgenezing door middel van elektrische pulsatie.

"Het is een spannende, maar vooral onontgonnen gebied dat voortkomt uit een diepere discussie aan de grens van de ontwikkelingsbiologie, namelijk hoe elektriciteit de morfogenese beïnvloedt, "- of het biologische proces dat ervoor zorgt dat een organisme zijn vorm ontwikkelt - zei Gibou. "Bij wondgenezing, het doel is om elektrische signalen van buitenaf te manipuleren om cellen te begeleiden om sneller te groeien in het gewonde gebied en het genezingsproces te versnellen."

De gemeenschappelijke factor van deze toepassingen is hun bio-elektrische fysieke aard. In recente jaren, het is vastgesteld dat de bio-elektrische aard van levende organismen een centrale rol speelt bij de ontwikkeling van hun vorm en groei.

Om bio-elektrische verschijnselen te begrijpen, Gibou's groep beschouwde computerexperimenten op meercellige sferoïden in 3D. Sferoïden zijn aggregaten van enkele tienduizenden cellen die in de biologie worden gebruikt vanwege hun structurele en functionele gelijkenis met tumoren.

"We zijn uitgegaan van het fenomenologische celschaalmodel dat is ontwikkeld in de onderzoeksgroep van onze collega, Claire Poignard, aan de Université de Bordeaux, Frankrijk, met wie we al jaren samenwerken, ' zei Gibou.

Dit model, die de evolutie van transmembraanpotentiaal op een geïsoleerde cel beschrijft, is vergeleken en gevalideerd met de respons van een enkele cel in experimenten.

"Vanaf daar, we hebben het eerste computationele raamwerk ontwikkeld dat in staat is om een ​​celaggregaat van tienduizenden cellen te beschouwen en hun interacties te simuleren, " zei hij. "Het einddoel is het ontwikkelen van een effectieve weefselschaaltheorie voor elektroporatie."

Een van de belangrijkste redenen voor het ontbreken van een effectieve theorie op weefselschaal is het gebrek aan gegevens, volgens Gibou en Mistani. specifiek, de ontbrekende gegevens in het geval van elektroporatie is de tijdsevolutie van het transmembraanpotentieel van elke individuele cel in een weefselomgeving. Experimenten zijn niet in staat om die metingen te doen, ze zeiden.

"Momenteel, experimentele beperkingen verhinderen de ontwikkeling van een effectieve elektroporatietheorie op weefselniveau, " Zei Mistani. "Ons werk heeft een computationele benadering ontwikkeld die de reactie van individuele cellen in een sferoïde op een elektrisch veld kan simuleren, evenals hun onderlinge interacties."

Elke cel gedraagt ​​zich volgens bepaalde regels.

"Maar als je een groot aantal van hen samen bekijkt, het aggregaat vertoont nieuw coherent gedrag, "Zei Mistani. "Het is dit opkomende fenomeen dat cruciaal is voor het ontwikkelen van effectieve theorieën op weefselschaal - nieuw gedrag dat voortkomt uit de koppeling van vele individuele elementen."

De effecten van elektroporatie gebruikt bij de behandeling van kanker, bijvoorbeeld, hangt van veel factoren af, zoals de sterkte van het elektrische veld, zijn puls en frequentie.

"Dit werk zou een effectieve theorie kunnen opleveren die helpt de weefselrespons op deze parameters te begrijpen en zo dergelijke behandelingen te optimaliseren, " zei Mistani. "Voor ons werk, de grootste bestaande simulaties van elektroporatie van celaggregaten beschouwden slechts ongeveer honderd cellen in 3D, of waren beperkt tot 2D-simulaties. Die simulaties negeerden ofwel de echte 3D-aard van sferoïden of beschouwden te weinig cellen om opkomend gedrag op weefselschaal te manifesteren."

De onderzoekers zijn momenteel bezig met het ontginnen van deze unieke dataset om een ​​effectieve weefselschaaltheorie van celaggregaatelektroporatie te ontwikkelen.