陸軍研究是第一個(gè)使用微生物學(xué)程序開(kāi)發(fā)計(jì)算模型，該程序可用于改善新型癌癥治療和治療戰(zhàn)斗傷口。

使用稱(chēng)為電穿孔的技術(shù)，將電場(chǎng)施加到細(xì)胞上以增加細(xì)胞膜的滲透性，允許將化學(xué)物質(zhì)，藥物或DNA引入細(xì)胞中。例如，電化學(xué)療法是一種尖端的癌癥治療方法，它使用電穿孔作為將化學(xué)療法輸送到癌細(xì)胞的手段。

該研究由美國(guó)陸軍資助，由加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校和法國(guó)波爾多大學(xué)的研究人員進(jìn)行，開(kāi)發(fā)了一種用于模擬組織規(guī)模復(fù)雜生物電相互作用的并行模擬的計(jì)算方法。

以前，大多數(shù)研究都是針對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行的，每個(gè)細(xì)胞都按照一定的規(guī)則行事。

“當(dāng)你考慮大量的這些時(shí)，這些聚合體會(huì)表現(xiàn)出新穎的連貫行為，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究員Pouria Mistani說(shuō)。“正是這種新興現(xiàn)象對(duì)于在組織規(guī)模上發(fā)展有效理論至關(guān)重要 - 從許多個(gè)體元素的耦合中產(chǎn)生的新行為。”

這項(xiàng)發(fā)表在“計(jì)算物理學(xué)雜志”上的新研究由美國(guó)作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部的陸軍研究實(shí)驗(yàn)室資助，陸軍研究實(shí)驗(yàn)室稱(chēng)為ARL，通過(guò)其陸軍研究辦公室。

“數(shù)學(xué)研究使我們能夠研究細(xì)胞的生物電效應(yīng)，以開(kāi)發(fā)新的抗癌策略，”陸軍研究辦公室數(shù)學(xué)科學(xué)部主任約瑟夫邁爾斯博士說(shuō)。“這項(xiàng)新的研究將能夠?qū)Ω鞣N候選藥物的細(xì)胞，癌癥或健康細(xì)胞的進(jìn)化和治療進(jìn)行更準(zhǔn)確和有效的虛擬實(shí)驗(yàn)。”

研究人員表示，使這成為可能的關(guān)鍵因素是開(kāi)發(fā)先進(jìn)的計(jì)算算法。

“有很多數(shù)學(xué)可以用于算法的設(shè)計(jì)，可以考慮數(shù)以萬(wàn)計(jì)的良好分辨的細(xì)胞，”加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的教授Frederic Gibou說(shuō)。

另一個(gè)潛在的應(yīng)用是使用電脈動(dòng)加速戰(zhàn)斗傷口愈合。

“這是一個(gè)激動(dòng)人心的，但主要是未探索的領(lǐng)域，源于發(fā)展生物學(xué)前沿的深層討論，即電影如何影響形態(tài)發(fā)生，” - 或?qū)е律矬w發(fā)展其形狀的生物過(guò)程 - 吉布說(shuō)。“在傷口愈合方面，目標(biāo)是外部操縱電線索，引導(dǎo)細(xì)胞在受傷區(qū)域生長(zhǎng)更快，并加速愈合過(guò)程。”

這些應(yīng)用中的共同因素是它們的生物電物理性質(zhì)。近年來(lái)，已經(jīng)確定生物體的生物電性質(zhì)在其形態(tài)和生長(zhǎng)的發(fā)展中起關(guān)鍵作用。

為了解生物電現(xiàn)象，Gibou的小組考慮了三維多細(xì)胞球體的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)。球狀體是生物學(xué)中使用的數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的聚集體，因?yàn)樗鼈兣c腫瘤具有結(jié)構(gòu)和功能相似性。

“我們從法國(guó)波爾多大學(xué)同事Clair Poignard的研究小組開(kāi)發(fā)的現(xiàn)象學(xué)細(xì)胞比例模型開(kāi)始，我們與他們合作了好幾年，”Gibou說(shuō)。

該模型描述了分離細(xì)胞上跨膜電位的演變，已經(jīng)與單個(gè)細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)中的響應(yīng)進(jìn)行了比較和驗(yàn)證。

“從那里開(kāi)始，我們開(kāi)發(fā)了第一個(gè)計(jì)算框架，能夠考慮數(shù)萬(wàn)個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞聚集并模擬它們的相互作用，”他說(shuō)。“最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種有效的組織規(guī)模電穿孔理論。”

根據(jù)Gibou和Mistani的說(shuō)法，在組織規(guī)模上缺乏有效理論的主要原因之一是缺乏數(shù)據(jù)。具體地，在電穿孔的情況下缺失的數(shù)據(jù)是組織環(huán)境中每個(gè)單獨(dú)細(xì)胞的跨膜電位的時(shí)間演變。他們說(shuō)，實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行這些測(cè)量。

“目前，實(shí)驗(yàn)限制阻礙了有效的組織水平電穿孔理論的發(fā)展，”米斯塔尼說(shuō)。“我們的工作已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種計(jì)算方法，可以模擬球體中單個(gè)細(xì)胞對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)以及它們之間的相互作用。”

每個(gè)單元格都按照一定的規(guī)則行事。

米斯提尼說(shuō)：“但是當(dāng)你將大量的它們放在一起時(shí)，這些聚合體就會(huì)表現(xiàn)出新的連貫行為。”“正是這種新興現(xiàn)象對(duì)于在組織規(guī)模上發(fā)展有效理論至關(guān)重要 - 從許多個(gè)體元素的耦合中產(chǎn)生的新行為。”

例如，癌癥治療中使用的電穿孔的效果取決于許多因素，例如電場(chǎng)強(qiáng)度，脈沖和頻率。

“這項(xiàng)工作可以帶來(lái)一個(gè)有效的理論，有助于了解組織對(duì)這些參數(shù)的反應(yīng)，從而優(yōu)化這些治療，”米斯塔尼說(shuō)。“在我們工作之前，現(xiàn)有的最大的細(xì)胞聚集電穿孔模擬只考慮了3-D中的約100個(gè)細(xì)胞，或僅限于2-D模擬。這些模擬要么忽略了球體的真實(shí)3-D性質(zhì)，要么認(rèn)為細(xì)胞太少用于顯示組織規(guī)模的緊急行為。“

研究人員目前正在挖掘這一獨(dú)特的數(shù)據(jù)集，以開(kāi)發(fā)一種有效的細(xì)胞聚集電穿孔組織規(guī)模理論。