La ricerca militare è la prima a sviluppare modelli computazionali utilizzando una procedura microbiologica che può essere utilizzata per migliorare nuovi trattamenti contro il cancro e curare le ferite da combattimento.

Usando la tecnica, noto come elettroporazione, alle cellule viene applicato un campo elettrico per aumentare la permeabilità della membrana cellulare, permettendo prodotti chimici, droghe, o DNA da introdurre nella cellula. Per esempio, l'elettrochemioterapia è un trattamento antitumorale all'avanguardia che utilizza l'elettroporazione come mezzo per somministrare la chemioterapia nelle cellule cancerose.

La ricerca, finanziato dall'esercito degli Stati Uniti e condotto da ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara e Université de Bordeaux, Francia, ha sviluppato un approccio computazionale per simulazioni parallele che modella la complessa interazione bioelettrica su scala tissutale.

In precedenza, la maggior parte delle ricerche è stata condotta su singole cellule, e ogni cellula si comporta secondo determinate regole.

"Se ne consideri un gran numero insieme, l'aggregato mostra nuovi comportamenti coerenti, " disse Pouria Mistani, un ricercatore presso l'UCSB. "È questo fenomeno emergente che è cruciale per lo sviluppo di teorie efficaci su scala tissutale:nuovi comportamenti che emergono dall'accoppiamento di molti elementi individuali".

Questa nuova ricerca è pubblicata su Journal of Computational Physics .

"La ricerca matematica ci consente di studiare gli effetti bioelettrici delle cellule per sviluppare nuove strategie antitumorali, " ha detto il dottor Joseph Myers, Capo della divisione di scienze matematiche dell'Ufficio di ricerca dell'esercito. "Questa nuova ricerca consentirà esperimenti virtuali più accurati e capaci dell'evoluzione e del trattamento delle cellule, canceroso o sano, in risposta a una varietà di farmaci candidati".

I ricercatori hanno affermato che un elemento cruciale per renderlo possibile è lo sviluppo di algoritmi computazionali avanzati.

"C'è molta matematica che entra nella progettazione di algoritmi che possono considerare decine di migliaia di celle ben risolte, " disse Frederic Gibou, un membro di facoltà presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Informatica dell'UCSB.

Un'altra potenziale applicazione è l'accelerazione della guarigione delle ferite da combattimento utilizzando la pulsazione elettrica.

"È emozionante, ma soprattutto un'area inesplorata che nasce da una discussione più approfondita alla frontiera della biologia dello sviluppo, vale a dire come l'elettricità influenza la morfogenesi, "—o il processo biologico che fa sì che un organismo sviluppi la sua forma—ha detto Gibou. "Nella guarigione delle ferite, l'obiettivo è manipolare esternamente segnali elettrici per guidare le cellule a crescere più velocemente nella regione ferita e accelerare il processo di guarigione".

Il fattore comune tra queste applicazioni è la loro natura fisica bioelettrica. Negli ultimi anni, è stato stabilito che la natura bioelettrica degli organismi viventi svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo della loro forma e crescita.

Per comprendere i fenomeni bioelettrici, Il gruppo di Gibou ha considerato esperimenti al computer su sferoidi multicellulari in 3-D. Gli sferoidi sono aggregati di poche decine di migliaia di cellule utilizzate in biologia per la loro somiglianza strutturale e funzionale con i tumori.

"Siamo partiti dal modello fenomenologico su scala cellulare che è stato sviluppato nel gruppo di ricerca del nostro collega, Chiara Poignard, all'Università di Bordeaux, Francia, con cui collaboriamo da diversi anni, " disse Gibù.

Questo modello, che descrive l'evoluzione del potenziale transmembrana su una cellula isolata, è stato confrontato e convalidato con la risposta di una singola cellula negli esperimenti.

"Da li, abbiamo sviluppato il primo framework computazionale in grado di considerare un aggregato cellulare di decine di migliaia di cellule e di simularne le interazioni, " ha detto. "L'obiettivo finale è sviluppare un'efficace teoria su scala tissutale per l'elettroporazione".

Uno dei motivi principali per l'assenza di una teoria efficace su scala tissutale è la mancanza di dati, secondo Gibou e Mistani. Nello specifico, il dato mancante nel caso dell'elettroporazione è l'evoluzione temporale del potenziale transmembrana di ogni singola cellula in un ambiente tissutale. Gli esperimenti non sono in grado di effettuare tali misurazioni, loro hanno detto.

"Attualmente, limitazioni sperimentali impediscono lo sviluppo di un'efficace teoria dell'elettroporazione a livello tissutale, " Ha detto Mistani. "Il nostro lavoro ha sviluppato un approccio computazionale in grado di simulare la risposta delle singole cellule in uno sferoide a un campo elettrico, nonché le loro interazioni reciproche".

Ogni cella si comporta secondo determinate regole.

"Ma se ne consideri un gran numero insieme, l'aggregato mostra nuovi comportamenti coerenti, " Ha detto Mistani. "È questo fenomeno emergente che è cruciale per lo sviluppo di teorie efficaci su scala tissutale:nuovi comportamenti che emergono dall'accoppiamento di molti elementi individuali".

Gli effetti dell'elettroporazione utilizzati nel trattamento del cancro, Per esempio, dipendono da molti fattori, come l'intensità del campo elettrico, il suo impulso e la sua frequenza.

"Questo lavoro potrebbe portare a una teoria efficace che aiuta a comprendere la risposta dei tessuti a questi parametri e quindi a ottimizzare tali trattamenti, " Disse Mistani. "Prima del nostro lavoro, le più grandi simulazioni esistenti di elettroporazione di aggregati cellulari hanno considerato solo un centinaio di celle in 3-D, o erano limitati a simulazioni 2-D. Quelle simulazioni hanno ignorato la vera natura 3-D degli sferoidi o hanno considerato troppo poche le cellule per manifestare comportamenti emergenti su scala tissutale".

I ricercatori stanno attualmente estraendo questo set di dati unico per sviluppare un'efficace teoria su scala tissutale dell'elettroporazione degli aggregati cellulari.