La investigación del Ejército está a la vanguardia en el desarrollo de modelos computacionales, que utilizan un procedimiento microbiológico, que puede ser empleado para mejorar los nuevos tratamientos contra el cáncer y tratar las heridas de combate.
La investigación del Ejército está a la vanguardia en el desarrollo de modelos computacionales, que utilizan un procedimiento microbiológico, que puede ser empleado para mejorar los nuevos tratamientos contra el cáncer y tratar las heridas de combate.Usando la técnica, conocida como electroporación, se aplica un campo eléctrico a las células para aumentar la permeabilidad de la membrana celular, permitiendo la introducción de químicos, medicamentos o ADN en la célula. Por ejemplo, la electroquimioterapia es un tratamiento de vanguardia para el cáncer que utiliza la electroporación como medio para administrar quimioterapia en las células cancerosas.
La investigación, financiada por el Ejército de Estados Unidos y realizada por investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara y la Universidad de Burdeos, Francia, ha desarrollado un enfoque computacional para simulaciones paralelas que modelan la compleja interacción bioeléctrica a escala tisular.
Anteriormente, la mayor parte de la investigación se realizó en células individuales, y cada célula se comporta de acuerdo con ciertas reglas.
«Cuando se considera un gran número de ellas juntas, el agregado exhibe comportamientos coherentes novedosos», dijo Pouria Mistani, investigadora de la UCSB. «Es este fenómeno emergente el que es crucial para desarrollar teorías efectivas a escala tisular, comportamientos novedosos que emergen del acoplamiento de muchos elementos individuales».
Esta nueva investigación, publicada en el Journal of Computational Physics, está financiada por el U.S. Combat Capabilities Development Command’s Army Research Lab, el laboratorio de investigación corporativo del Ejército conocido como ARL, a través de su Oficina de Investigación del Ejército.
«La investigación matemática nos permite estudiar los efectos bioeléctricos de las células para desarrollar nuevas estrategias contra el cáncer», dijo el Dr. Joseph Myers, jefe de la división de ciencias matemáticas de la Oficina de Investigación del Ejército. «Esta nueva investigación permitirá experimentos virtuales más precisos y capaces de la evolución y el tratamiento de las células, cancerosas o sanas, en respuesta a una variedad de fármacos candidatos».
Los investigadores dijeron que un elemento crucial para hacer esto posible es el desarrollo de algoritmos computacionales avanzados.
«Hay bastante matemática en el diseño de algoritmos que pueden considerar decenas de miles de células bien resueltas», dijo Frederic Gibou, un miembro de la facultad del Departamento de Ingeniería Mecánica e Informática de la UCSB.
Otra aplicación potencial es la aceleración de la cicatrización de heridas de combate mediante pulsaciones eléctricas.
«Es un área apasionante, pero principalmente inexplorada, que surge de una discusión más profunda en la frontera de la biología del desarrollo, a saber, cómo la electricidad influye en la morfogénesis», o el proceso biológico que hace que un organismo desarrolle su forma, dijo Gibou. «En la curación de heridas, el objetivo es manipular externamente las señales eléctricas para guiar a las células a crecer más rápido en la región herida y acelerar el proceso de curación.»
El factor común entre estas aplicaciones es su naturaleza física bioeléctrica. En los últimos años, se ha establecido que la naturaleza bioeléctrica de los organismos vivos juega un papel fundamental en el desarrollo de su forma y crecimiento.
Para entender los fenómenos bioeléctricos, el grupo de Gibou consideró la posibilidad de realizar experimentos por computadora con esferoides multicelulares en 3-D. Los esferoides son agregados de unas pocas decenas de miles de células que se utilizan en biología debido a su similitud estructural y funcional con los tumores.
«Partimos del modelo fenomenológico a escala celular desarrollado en el grupo de investigación de nuestra colega, Clair Poignard, de la Universidad de Burdeos, Francia, con quien hemos colaborado durante varios años», dijo Gibou.
Este modelo, que describe la evolución del potencial transmembrana en una célula aislada, ha sido comparado y validado con la respuesta de una sola célula en experimentos.
«A partir de ahí, desarrollamos el primer marco computacional que es capaz de considerar un agregado celular de decenas de miles de células y simular sus interacciones», dijo. «El objetivo final es desarrollar una teoría efectiva de la escala de tejido para la electroporación.»
Una de las principales razones de la ausencia de una teoría efectiva a escala tisular es la falta de datos, según Gibou y Mistani. Específicamente, los datos que faltan en el caso de la electroporación es la evolución temporal del potencial transmembrana de cada célula individual en un entorno tisular. Los experimentos no son capaces de hacer esas mediciones, dijeron.
«Actualmente, las limitaciones experimentales impiden el desarrollo de una teoría efectiva de electroporación a nivel del tejido», aseguró Mistani. «Nuestro trabajo ha desarrollado un enfoque computacional que puede simular la respuesta de células individuales en un esferoide a un campo eléctrico, así como sus interacciones mutuas.»
Cada celda se comporta de acuerdo a ciertas reglas. «Pero cuando se considera un gran número de ellas juntas, el conjunto exhibe comportamientos coherentes y novedosos», dijo Mistani. «Es este fenómeno emergente el que es crucial para desarrollar teorías efectivas a escala tisular, comportamientos novedosos que emergen del acoplamiento de muchos elementos individuales».
Los efectos de la electroporación utilizada en el tratamiento del cáncer, por ejemplo, dependen de muchos factores, como la fuerza del campo eléctrico, su pulso y su frecuencia.
«Este trabajo podría aportar una teoría efectiva que ayude a comprender la respuesta de los tejidos a estos parámetros y así optimizar dichos tratamientos», aseguró Mistani. «Antes de nuestro trabajo, las mayores simulaciones existentes de electroporación de agregados celulares sólo consideraban unas cien células en 3-D, o se limitaban a simulaciones 2-D. Esas simulaciones ignoraban la verdadera naturaleza tridimensional de los esferoides o consideraban muy pocas células para que se manifestaran comportamientos emergentes a escala tisular».
Los investigadores están actualmente extrayendo este conjunto de datos único para desarrollar una teoría efectiva de la electroporación de agregados celulares a escala de tejido.
El CCDC Army Research Laboratory (ARL) es un elemento del U.S. Army Combat Capabilities Development Command. Como laboratorio de investigación corporativa del Ejército, la ARL descubre, innova y transiciona la ciencia y la tecnología para asegurar el poder estratégico dominante en tierra. A través de la colaboración entre las principales competencias técnicas del comando, el CCDC lidera el descubrimiento, desarrollo y distribución de las capacidades basadas en la tecnología necesarias para hacer que los combatientes sean más letales a la hora de combatir.
Fte. army.mil
