La recherche de l'armée est la première à développer des modèles informatiques utilisant une technique de microbiologie appelée électroporation. Cette figure montre des fluctuations du potentiel électrique dans une tranche équatoriale de l'agrégat, le rouge représentant des valeurs plus élevées. Crédit :Centre de calcul avancé, L'Université du Texas à Austin
La recherche de l'armée est la première à développer des modèles informatiques utilisant une procédure de microbiologie qui peut être utilisée pour améliorer de nouveaux traitements contre le cancer et traiter les blessures de combat.
En utilisant la technique, connu sous le nom d'électroporation, un champ électrique est appliqué aux cellules afin d'augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire, autoriser les produits chimiques, médicaments, ou de l'ADN à introduire dans la cellule. Par exemple, L'électrochimiothérapie est un traitement anticancéreux de pointe qui utilise l'électroporation comme moyen d'administrer la chimiothérapie aux cellules cancéreuses.
La recherche, financé par l'armée américaine et mené par des chercheurs de l'Université de Californie, Santa Barbara et Université de Bordeaux, La France, a développé une approche informatique pour des simulations parallèles qui modélise l'interaction bioélectrique complexe à l'échelle du tissu.
Précédemment, la plupart des recherches ont été menées sur des cellules individuelles, et chaque cellule se comporte selon certaines règles.
"Quand vous considérez un grand nombre d'entre eux ensemble, l'agrégat présente de nouveaux comportements cohérents, " a déclaré Pouria Mistani, chercheur à l'UCSB. "C'est ce phénomène émergent qui est crucial pour développer des théories efficaces à l'échelle du tissu - de nouveaux comportements qui émergent du couplage de nombreux éléments individuels."
Cette nouvelle recherche est publiée dans le Journal de physique computationnelle .
« La recherche mathématique nous permet d'étudier les effets bioélectriques des cellules afin de développer de nouvelles stratégies anticancéreuses, " a déclaré le Dr Joseph Myers, Chef de division des sciences mathématiques du bureau de recherche de l'armée. "Cette nouvelle recherche permettra des expériences virtuelles plus précises et plus performantes de l'évolution et du traitement des cellules, cancéreuse ou saine, en réponse à une variété de médicaments candidats.
Les chercheurs ont déclaré qu'un élément crucial pour rendre cela possible est le développement d'algorithmes de calcul avancés.
"Il y a beaucoup de mathématiques qui entrent dans la conception d'algorithmes qui peuvent considérer des dizaines de milliers de cellules bien résolues, " dit Frédéric Gibou, membre du corps professoral du Département de génie mécanique et d'informatique de l'UCSB.
Une autre application potentielle est l'accélération de la cicatrisation des plaies de combat à l'aide de pulsations électriques.
"C'est passionnant, mais principalement un domaine inexploré qui découle d'une discussion plus approfondie à la frontière de la biologie du développement, à savoir comment l'électricité influence la morphogenèse, " - ou le processus biologique qui fait qu'un organisme se développe - dit Gibou. " Dans la cicatrisation, l'objectif est de manipuler de l'extérieur des signaux électriques pour guider les cellules à se développer plus rapidement dans la région blessée et accélérer le processus de guérison."
La recherche de la nouvelle armée a développé une approche informatique pour des simulations parallèles qui modélise l'interaction bioélectrique complexe à l'échelle du tissu. Sur cette figure, les cellules sont colorées en fonction de leur potentiel transmembranaire. Crédit :Centre de calcul avancé, L'Université du Texas à Austin
Le facteur commun entre ces applications est leur nature physique bioélectrique. Dans les années récentes, il a été établi que la nature bioélectrique des organismes vivants joue un rôle central dans le développement de leur forme et de leur croissance.
Pour comprendre les phénomènes bioélectriques, Le groupe de Gibou a envisagé des expériences informatiques sur des sphéroïdes multicellulaires en 3D. Les sphéroïdes sont des agrégats de quelques dizaines de milliers de cellules qui sont utilisées en biologie en raison de leur similitude structurelle et fonctionnelle avec les tumeurs.
"Nous sommes partis du modèle phénoménologique à l'échelle cellulaire qui a été développé dans le groupe de recherche de notre collègue, Clair Poignard, à l'Université de Bordeaux, La France, avec qui nous collaborons depuis plusieurs années, " dit Gibou.
Ce modèle, qui décrit l'évolution du potentiel transmembranaire sur une cellule isolée, a été comparé et validé avec la réponse d'une seule cellule dans des expériences.
"De là, nous avons développé le premier cadre de calcul capable de considérer un agrégat cellulaire de dizaines de milliers de cellules et de simuler leurs interactions, ", a-t-il déclaré. "L'objectif final est de développer une théorie efficace à l'échelle des tissus pour l'électroporation."
L'une des principales raisons de l'absence d'une théorie efficace à l'échelle tissulaire est le manque de données, selon Gibou et Mistani. Spécifiquement, la donnée manquante dans le cas de l'électroporation est l'évolution temporelle du potentiel transmembranaire de chaque cellule individuelle dans un environnement tissulaire. Les expériences ne sont pas en mesure de faire ces mesures, ils ont dit.
"Actuellement, les limitations expérimentales empêchent le développement d'une théorie efficace de l'électroporation au niveau des tissus, " a déclaré Mistani. "Notre travail a développé une approche informatique qui peut simuler la réponse de cellules individuelles dans un sphéroïde à un champ électrique ainsi que leurs interactions mutuelles."
Chaque cellule se comporte selon certaines règles.
"Mais quand on en considère un grand nombre ensemble, l'agrégat présente de nouveaux comportements cohérents, " a déclaré Mistani. " C'est ce phénomène émergent qui est crucial pour développer des théories efficaces à l'échelle des tissus - de nouveaux comportements qui émergent du couplage de nombreux éléments individuels. "
Les effets de l'électroporation utilisée dans le traitement du cancer, par exemple, dépend de nombreux facteurs, comme la force du champ électrique, son pouls et sa fréquence.
« Ce travail pourrait apporter une théorie efficace qui aide à comprendre la réponse tissulaire à ces paramètres et ainsi optimiser de tels traitements, " dit Mistani. " Avant notre travail, les plus grandes simulations existantes d'électroporation d'agrégats cellulaires n'ont considéré qu'une centaine de cellules en 3-D, ou étaient limités à des simulations 2D. Ces simulations ont soit ignoré la nature 3D réelle des sphéroïdes, soit considéré trop peu de cellules pour que des comportements émergents à l'échelle des tissus se manifestent. »
Les chercheurs exploitent actuellement cet ensemble de données unique pour développer une théorie efficace à l'échelle des tissus de l'électroporation des agrégats cellulaires.
