Neue Forschung kann verwendet werden zur Behandlung von Krebs, heilen Bekämpfung von Wunden

Armee-Forschung ist die erste zu entwickeln computergestützte Modelle mit einem mikrobiologischen Verfahren, die verwendet werden können, um zu verbessern, neuartige Krebstherapien und die Behandlung von Kampf-Wunden.

Die Technik, bekannt als Elektroporation, ein elektrisches Feld auf Zellen angewendet werden, um eine Erhöhung der Durchlässigkeit der Zellmembran, so dass Chemikalien, Drogen oder DNA werden eingeführt in die Zelle. Zum Beispiel, Elektro-Chemotherapie ist eine cutting-edge-Krebs-Behandlung, die verwendet electroporation als ein Mittel zu liefern, die Chemotherapie in Krebszellen.

Die Forschung, finanziert von der US-Armee und geleitet von den Forschern an University of California, Santa Barbara und Université de Bordeaux, Frankreich, hat eine rechnerische Ansatz für parallele Simulationen, Modelle die komplexen bioelektrischen Interaktion auf der Gewebe-Skala.

Bisher werden die meisten Untersuchungen durchgeführt worden, an einzelnen Zellen, und jede Zelle verhält sich nach bestimmten Regeln.

„Wenn man bedenkt, eine große Anzahl von Ihnen zusammen, das Aggregat Exponate neuartigen kohärenten Verhalten“, sagte Pouria Mistani, ein Forscher an der UCSB. „Es ist das emergente Phänomen, das entscheidend für die Entwicklung effektiver Theorien auf der Gewebe-Skala-Roman Verhaltensweisen, die sich aus der Kopplung vieler einzelner Elemente.“

Diese neue Forschung, veröffentlicht in der Journal of Computational Physics, finanziert durch die US-Kampf-Fähigkeiten-Entwicklung Kommando der Army Research Lab, die Armee, corporate research laboratory, bekannt als ARL, durch seine Army Research Office.

„Mathematische Forschung ermöglicht uns die Untersuchung der bioelektrischen Wirkungen von Zellen, um neue anti-Krebs-Strategien,“ sagte Dr. Joseph Myers, Army Research Office mathematical sciences division chief. „Diese neue Forschung wird es ermöglichen, genauere und in virtuellen Experimenten, die Entwicklung und die Behandlung von Zellen, Krebs oder gesund, in Reaktion auf eine Vielzahl von Kandidaten Medikamente.“

Forscher sagten, ein wichtiges element, das möglich macht, ist die Entwicklung der erweiterten Berechnungsalgorithmen.

„Es ist ganz viel Mathematik, die in den Entwurf von algorithmen halten können Zehntausende gut gelöst Zellen,“ sagte Frederic Gibou, ein Mitglied der Fakultät im Department of Mechanical Engineering und Computer Science an der UCSB.

Eine weitere mögliche Anwendung ist die Beschleunigung der Bekämpfung der Wundheilung mit elektrischen pulsation.

„Es ist eine spannende, aber vor allem unerforschtes Gebiet, das ergibt sich aus einer tieferen Diskussion an der Grenze der Entwicklungsbiologie, nämlich wie Strom beeinflusst Morphogenese,“ — oder die biologische Prozess, der bewirkt, dass ein Organismus zu entwickeln, die Ihre Form — Gibou sagte. „In der Wundheilung, das Ziel ist, extern zu manipulieren, elektrische cues guide Zellen wachsen schneller in die Verletzte region und den Heilungsprozess zu beschleunigen.“

Der gemeinsame Faktor bei diesen Anwendungen ist Ihre bioelektrische physischen Natur. In den letzten Jahren, es wurde festgestellt, dass die bioelektrischen Natur der lebenden Organismen und spielt eine zentrale Rolle in der Entwicklung Ihrer form und Wachstum.

Um zu verstehen, bioelektrische Phänomene, Gibou Gruppe als computer-Experimente auf vielzellige Sphäroide in 3-D. Sphäroide sind Aggregate von ein paar Zehntausende von Zellen, die verwendet werden, in der Biologie aufgrund Ihrer strukturellen und funktionalen ähnlichkeit mit Tumoren.

„Wir haben von der phänomenologischen Zelle-Skala-Modell, entwickelt in der Arbeitsgruppe von unserer Kollegin Clair Poignard, an der Université de Bordeaux, Frankreich, mit denen wir zusammengearbeitet haben, für mehrere Jahre“, Gibou, sagte.

Dieses Modell beschreibt die evolution des Transmembran-Potenzials in einer isolierten Zelle, wurde verglichen und validiert, mit der Antwort einer einzelnen Zelle in Experimenten.

„Von dort aus entwickelten wir das erste computational framework, das in der Lage ist, zu prüfen, eine Zelle aggregieren von Zehntausenden von Zellen und zur Simulation von Interaktionen,“ sagte er. „Das Endziel ist die Entwicklung einer wirksamen Gewebe-scale-Theorie für die Elektroporation.“

Einer der Hauptgründe für das fehlen eines effektiven Theorie auf der Gewebe-Ebene ist der Mangel an Daten, gemäß Gibou und Mistani. Insbesondere die fehlenden Daten bei der Elektroporation wird die zeitliche Entwicklung der Transmembran-potential jeder einzelnen Zelle in einem Gewebe-Umgebung. Experimente sind nicht in der Lage, um die Messungen, sagten Sie.

„Derzeit experimentelle Einschränkungen verhindern, dass die Entwicklung eines wirksamen Gewebe-Ebene Elektroporation Theorie,“ Mistani sagte. „Unsere Arbeit hat eine rechnerische Ansatz zur Simulation der Reaktion der einzelnen Zellen in ein Sphäroid in einem elektrischen Feld sowie deren Wechselwirkungen.“

Jede Zelle verhält sich nach bestimmten Regeln.

„Aber wenn man bedenkt, eine große Anzahl von Ihnen zusammen, das Aggregat Exponate neuartigen kohärenten Verhaltensweisen,“ Mistani sagte. „Es ist das emergente Phänomen, das entscheidend für die Entwicklung effektiver Theorien auf der Gewebe-Skala-Roman Verhaltensweisen, die sich aus der Kopplung vieler einzelner Elemente.“

Die Auswirkungen der Elektroporation verwendet in der Behandlung von Krebs, zum Beispiel, hängt von vielen Faktoren ab, wie der Stärke des elektrischen Feldes, seinen Puls und Frequenz.

„Diese Arbeit bringen könnte eine effektive Theorie, die hilft, zu verstehen die Gewebe als Reaktion auf diese Parameter und damit die Optimierung solcher Behandlungen“ Mistani sagte. „Vor unserer Arbeit, der größte existierende Simulationen der Zelle aggregieren der Elektroporation werden nur berücksichtigt, etwa hundert Zellen in 3-D, oder waren beschränkt auf 2-D-Simulationen. Diese Simulationen entweder ignoriert die Reale 3-D der Natur der Sphäroide oder als zu wenige Zellen für das tissue-Skala emergente Verhalten zu manifestieren.“

Momentan sind die Forscher mining dieser Datensatz zu entwickeln, die eine effektive Gewebe-scale-Theorie der Zelle aggregieren der Elektroporation.