Военные исследователи первыми разработали вычислительные модели с использованием микробиологической процедуры, которую можно использовать для улучшения новых методов лечения рака и лечения боевых ран.
Используя технику, известную как электропорация, к клеткам прикладывают электрическое поле, чтобы увеличить проницаемость клеточной мембраны, позволяя химикатам, лекарствам или ДНК попадать в клетку. Например, электрохимиотерапия – это инновационное лечение рака, при котором электропорация используется как средство доставки химиотерапии в раковые клетки.
В ходе исследования, финансируемого Армией США и проведенного исследователями из Университета Калифорнии, Санта-Барбары и Университета Бордо, Франция, был разработан вычислительный подход для параллельного моделирования, который моделирует сложное биоэлектрическое взаимодействие в ткани.
Новое исследование, опубликованное в Journal of Computational Physics, финансируется Исследовательской лабораторией командования по развитию боевых возможностей США.
«Математические исследования позволяют нам изучать биоэлектрические эффекты клеток с целью разработки новых противораковых стратегий, – говорит доктор Джозеф Майерс, руководитель отдела математических наук. – Новое исследование позволит проводить более точные и эффективные эксперименты по эволюции и лечению клеток».
Исследователи заявили, что важнейшим элементом является разработка современных вычислительных алгоритмов. Еще одно потенциальное применение технологии – более быстрое заживление боевых ран с помощью электрической пульсации.
«Это захватывающая, в основном неизученная область, которая посвящена биологическим процессам, которые заставляют организм развиваться, - поясняют исследователи. - При заживлении ран цель состоит в том, чтобы внешне манипулировать электрическими сигналами, чтобы направлять клетки к более быстрому росту в области ран и ускорению процесса заживления».
В последние годы было установлено, что биоэлектрическая природа живых организмов играет ключевую роль в развитии их формы и роста. Чтобы понять биоэлектрические явления, исследователи провели компьютерные эксперименты на многоклеточных сфероидах в 3D. Сфероиды представляют собой совокупности нескольких десятков тысяч клеток, которые используются в биологии из-за их структурного и функционального сходства с опухолями.
«Мы начали с феноменологической модели клеточного масштаба, которая была разработана в исследовательской группе нашего коллеги Клер Пуаньяр в Университете Бордо, Франция, с которой мы сотрудничаем в течение нескольких лет, – говорит Фредерик Гибу, исследователь. – Мы разработали первую вычислительную среду, которая способна учитывать совокупность сотен десятков тысяч клеток и моделировать их взаимодействие. Конечная цель – разработать эффективную теорию для электропорации».
По словам Гибу, одной из главных причин отсутствия эффективной теории является недостаток данных. «В настоящее время экспериментальные ограничения не позволяют разработать эффективную теорию электропорации на уровне ткани, – полагают исследователи. – В нашей работе разработан вычислительный подход, который может имитировать реакцию отдельных клеток сфероида на электрическое поле, а также их взаимодействие».
Каждая клетка ведет себя по определенным правилам. «Но когда вы рассматриваете большое их количество вместе, совокупность демонстрирует новое последовательное поведение, – говорят исследователи. – Именно это явление имеет решающее значение для разработки эффективных теорий на уровне тканей – новых форм поведения, возникающих в результате сочетания множества отдельных элементов».
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190501114430.htm
