Arméforskning är den första som utvecklar beräkningsmodeller med ett mikrobiologiskt förfarande som kan användas för att förbättra nya cancerbehandlingar och behandla stridsår.

Med hjälp av tekniken, känd som elektroporation, ett elektriskt fält appliceras på celler för att öka cellmembranets permeabilitet, tillåter kemikalier, läkemedel, eller DNA som ska införas i cellen. Till exempel, elektrokemoterapi är en banbrytande cancerbehandling som använder elektroporering som ett sätt att leverera kemoterapi till cancerceller.

Forskningen, finansierad av den amerikanska armén och genomförd av forskare vid University of California, Santa Barbara och Université de Bordeaux, Frankrike, har utvecklat en beräkningsmetod för parallella simuleringar som modellerar den komplexa bioelektriska interaktionen i vävnadsskala.

Tidigare, mest forskning har gjorts på enskilda celler, och varje cell beter sig enligt vissa regler.

"När man överväger ett stort antal av dem tillsammans, aggregatet uppvisar nya sammanhängande beteenden, "sa Pouria Mistani, en forskare vid UCSB. "Det är detta framväxande fenomen som är avgörande för att utveckla effektiva teorier i vävnadsskala-nya beteenden som kommer från kopplingen av många enskilda element."

Denna nya forskning publiceras i Journal of Computational Physics .

"Matematisk forskning gör det möjligt för oss att studera cellernas bioelektriska effekter för att utveckla nya strategier mot cancer, "sa doktor Joseph Myers, Army Research Office matematiska vetenskapsavdelningschef. "Denna nya forskning kommer att möjliggöra mer exakta och kapabla virtuella experiment av utveckling och behandling av celler, cancerframkallande eller frisk, som svar på en mängd olika läkemedelskandidater. "

Forskare sa att ett avgörande element för att göra detta möjligt är utvecklingen av avancerade beräkningsalgoritmer.

"Det finns ganska mycket matematik som går in på utformningen av algoritmer som kan betrakta tiotusentals välupplösta celler, "sa Frederic Gibou, en fakultetsmedlem vid Institutionen för maskinteknik och datavetenskap vid UCSB.

En annan potentiell tillämpning är att påskynda läkning av stridsår med hjälp av elektrisk pulsering.

"Det är spännande, men främst outforskat område som härrör från en djupare diskussion vid gränsen för utvecklingsbiologi, nämligen hur elektricitet påverkar morfogenes, " - eller den biologiska processen som får en organism att utveckla sin form - sa Gibou." Vid sårläkning, målet är att externt manipulera elektriska ledtrådar för att vägleda celler att växa snabbare i det sårade området och påskynda läkningsprocessen. "

Den gemensamma faktorn bland dessa applikationer är deras bioelektriska fysiska natur. Under de senaste åren har det har fastställts att den levande organismen bioelektriska karaktär spelar en avgörande roll i utvecklingen av deras form och tillväxt.

För att förstå bioelektriska fenomen, Gibous grupp övervägde datorexperiment på multicellulära sfäroider i 3D. Spheroids är aggregat av några tiotusentals celler som används i biologi på grund av deras strukturella och funktionella likhet med tumörer.

"Vi utgår från den fenomenologiska cellskalemodellen som utvecklades i forskargruppen för vår kollega, Clair Poignard, vid Université de Bordeaux, Frankrike, som vi har samarbetat med i flera år, "Sa Gibou.

Den här modellen, som beskriver utvecklingen av transmembranpotential på en isolerad cell, har jämförts och validerats med svaret från en enda cell i experiment.

"Därifrån, vi utvecklade det första beräkningsramverket som kan överväga en cellaggregat av tiotusentals celler och simulera deras interaktioner, "sa han." Slutmålet är att utveckla en effektiv vävnadsskaleteori för elektroporering. "

En av huvudorsakerna till avsaknaden av en effektiv teori i vävnadsskala är bristen på data, enligt Gibou och Mistani. Specifikt, de saknade uppgifterna vid elektroporering är tidsutvecklingen av transmembranpotentialen för varje enskild cell i en vävnadsmiljö. Experiment kan inte göra dessa mätningar, sa de.

"För närvarande, experimentella begränsningar förhindrar utvecklingen av en effektiv vävnadsnivå elektroporeringsteori, "Mistani sa." Vårt arbete har utvecklat en beräkningsmetod som kan simulera svaret från enskilda celler i en sfäroid till ett elektriskt fält såväl som deras inbördes interaktioner. "

Varje cell beter sig enligt vissa regler.

"Men när man överväger ett stort antal av dem tillsammans, aggregatet uppvisar nya sammanhängande beteenden, "Mistani sa." Det är detta framväxande fenomen som är avgörande för att utveckla effektiva teorier i vävnadsskalan-nya beteenden som kommer från kopplingen av många enskilda element. "

Effekterna av elektroporering som används vid cancerbehandling, till exempel, beror på många faktorer, såsom styrkan hos det elektriska fältet, dess puls och frekvens.

"Detta arbete kan ge en effektiv teori som hjälper till att förstå vävnadssvaret på dessa parametrar och därmed optimera sådana behandlingar, "Sa Mistani." Innan vårt arbete, de största befintliga simuleringarna av cellaggregatelektroporation beaktade endast cirka hundra celler i 3D, eller var begränsade till 2-D-simuleringar. Dessa simuleringar ignorerade antingen sfäroidarnas verkliga 3D-natur eller ansåg att det var för få celler för att vävnadsskaliga framväxande beteenden skulle manifestera sig. "

Forskarna bryter för närvarande denna unika datauppsättning för att utveckla en effektiv vävnadsskaleteori om cellaggregatelektroporering.