Ny forskning kan bruges til at behandle kræft, helbrede kampsår

Hærens forskning er den første til at udvikle beregningsmodeller ved hjælp af en mikrobiologisk procedure, der kan bruges til at forbedre nye kræftbehandlinger og behandle kampsår.

Ved hjælp af teknikken, kendt som elektroporation, et elektrisk felt påføres celler for at øge cellemembranens permeabilitet, tillader kemikalier, medicin, eller DNA, der skal indføres i cellen. For eksempel, elektro-kemoterapi er en banebrydende kræftbehandling, der bruger elektroporation som et middel til at levere kemoterapi til kræftceller.

Forskningen, finansieret af den amerikanske hær og udført af forskere ved University of California, Santa Barbara og Université de Bordeaux, Frankrig, har udviklet en beregningsmæssig tilgang til parallelle simuleringer, der modellerer den komplekse bioelektriske interaktion i vævsskalaen.

Tidligere har mest forskning er blevet udført på individuelle celler, og hver celle opfører sig i henhold til visse regler.

"Når man betragter et stort antal af dem sammen, aggregatet udviser ny sammenhængende adfærd, "sagde Pouria Mistani, en forsker ved UCSB. "Det er dette nye fænomen, der er afgørende for at udvikle effektive teorier i vævsskalaen-ny adfærd, der kommer fra koblingen af ​​mange individuelle elementer."

Denne nye forskning er offentliggjort i Journal of Computational Physics .

"Matematisk forskning gør det muligt for os at studere de bioelektriske virkninger af celler for at udvikle nye kræftbekæmpende strategier, "sagde Dr. Joseph Myers, Army Research Office matematisk videnskab division chef. "Denne nye forskning vil muliggøre mere præcise og dygtige virtuelle eksperimenter med udvikling og behandling af celler, kræftsyg eller sund, som svar på en række forskellige lægemidler."

Forskere sagde, at et afgørende element i at gøre dette muligt er udviklingen af ​​avancerede beregningsalgoritmer.

"Der er ret meget matematik, der går ind i designet af algoritmer, der kan betragte titusinder af godt opløste celler, "sagde Frederic Gibou, et fakultetsmedlem i Institut for Maskinteknik og Datalogi ved UCSB.

En anden potentiel anvendelse er at accelerere bekæmpelse af sårheling ved hjælp af elektrisk pulsering.

"Det er spændende, men hovedsagelig uudforsket område, der stammer fra en dybere diskussion på grænsen af ​​udviklingsbiologi, nemlig hvordan elektricitet påvirker morfogenese, " - eller den biologiske proces, der får en organisme til at udvikle sin form - sagde Gibou." Ved sårheling, målet er at eksternt manipulere elektriske signaler til at guide celler til at vokse hurtigere i det sårede område og fremskynde helingsprocessen. "

Den fælles faktor blandt disse applikationer er deres bioelektriske fysiske karakter. I de seneste år, det er blevet fastslået, at den bioelektriske natur af levende organismer spiller en central rolle i udviklingen af ​​deres form og vækst.

For at forstå bioelektriske fænomener, Gibous gruppe overvejede computereksperimenter på flercellede sfæroider i 3D. Spheroids er aggregater af et par titusinder af celler, der bruges i biologi på grund af deres strukturelle og funktionelle lighed med tumorer.

"Vi startede med den fænomenologiske cellemodel, der blev udviklet i forskergruppen for vores kollega, Clair Poignard, ved Université de Bordeaux, Frankrig, som vi har samarbejdet med i flere år, "Sagde Gibou.

Denne model, som beskriver udviklingen af ​​transmembranpotentiale på en isoleret celle, er blevet sammenlignet og valideret med responsen fra en enkelt celle i forsøg.

"Derfra, vi udviklede den første beregningsramme, der er i stand til at overveje en celleaggregat på titusindvis af celler og simulere deres interaktioner, "sagde han." Slutmålet er at udvikle en effektiv teori i vævsskala til elektroporering. "

En af hovedårsagerne til fraværet af en effektiv teori i vævsskalaen er manglen på data, ifølge Gibou og Mistani. Specifikt, de manglende data i tilfælde af elektroporation er tidsudviklingen af ​​transmembranpotentialet for hver enkelt celle i et vævsmiljø. Eksperimenter er ikke i stand til at foretage disse målinger, de sagde.

"I øjeblikket, eksperimentelle begrænsninger forhindrer udviklingen af ​​en effektiv elektroporationsteori på vævsniveau, "Mistani sagde." Vores arbejde har udviklet en beregningsmæssig tilgang, der kan simulere individuelle cellers respons i en sfæroid til et elektrisk felt såvel som deres indbyrdes interaktioner. "

Hver celle opfører sig efter bestemte regler.

"Men når man betragter et stort antal af dem sammen, aggregatet udviser ny sammenhængende adfærd, "Mistani sagde." Det er dette nye fænomen, der er afgørende for at udvikle effektive teorier i vævsskalaen-ny adfærd, der kommer fra koblingen af ​​mange individuelle elementer. "

Effekterne af elektroporation brugt i kræftbehandling, for eksempel, afhænger af mange faktorer, såsom styrken af ​​det elektriske felt, dens puls og frekvens.

"Dette arbejde kunne bringe en effektiv teori, der hjælper med at forstå vævsreaktionen på disse parametre og dermed optimere sådanne behandlinger, "Sagde Mistani." Før vores arbejde, de største eksisterende simuleringer af celleaggregatelektroporering betragtede kun omkring hundrede celler i 3D, eller var begrænset til 2-D simuleringer. Disse simuleringer ignorerede enten sfæroidernes virkelige 3D-karakter eller betragtede for få celler til, at vækstskala fremkomne adfærd kunne manifestere sig. "

Forskerne udvinder i øjeblikket dette unikke datasæt for at udvikle en effektiv vævsskala-teori om celleaggregatelektroporation.