陆军研究可能有助于改善癌症治疗和治疗战斗伤口

陆军研究是第一个使用微生物学程序开发计算模型，该程序可用于改善新型癌症治疗和治疗战斗伤口。使用称为电穿孔的技术，将电场施加到细胞上以增加细胞膜的渗透性，允许将化学物质，药物或DNA引入细胞中。例如，电化学疗法是一种尖端的癌症治疗方法，它使用电穿孔作为将化学疗法输送到癌细胞的手段。

该研究由美国陆军资助，由加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和法国波尔多大学的研究人员进行，开发了一种用于模拟组织规模复杂生物电相互作用的并行模拟的计算方法。

以前，大多数研究都是针对单个细胞进行的，每个细胞都按照一定的规则行事。

“当你考虑大量的这些时，这些聚合体会表现出新颖的连贯行为，”加州大学圣地亚哥分校的研究员Pouria Mistani说。“正是这种新兴现象对于在组织规模上发展有效理论至关重要 - 从许多个体元素的耦合中产生的新行为。”

这项发表在“计算物理学杂志”上的新研究由美国作战能力发展司令部的陆军研究实验室资助，陆军研究实验室称为ARL，通过其陆军研究办公室。

“数学研究使我们能够研究细胞的生物电效应，以开发新的抗癌策略，”陆军研究办公室数学科学部主任约瑟夫迈尔斯博士说。“这项新的研究将能够对各种候选药物的细胞，癌症或健康细胞的进化和治疗进行更准确和有效的虚拟实验。”

研究人员表示，使这成为可能的关键因素是开发先进的计算算法。

“有很多数学可以用于算法的设计，可以考虑数以万计的良好分辨的细胞，”加州大学圣地亚哥分校机械工程和计算机科学系的教授Frederic Gibou说。

另一个潜在的应用是使用电脉动加速战斗伤口愈合。

“这是一个激动人心的，但主要是未探索的领域，源于发展生物学前沿的深层讨论，即电影如何影响形态发生，” - 或导致生物体发展其形状的生物过程 - 吉布说。“在伤口愈合方面，目标是外部操纵电线索，引导细胞在受伤区域生长更快，并加速愈合过程。”

这些应用中的共同因素是它们的生物电物理性质。近年来，已经确定生物体的生物电性质在其形态和生长的发展中起关键作用。

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为了解生物电现象，Gibou的小组考虑了三维多细胞球体的计算机实验。球状体是生物学中使用的数万个细胞的聚集体，因为它们与肿瘤具有结构和功能相似性。

“我们从法国波尔多大学同事Clair Poignard的研究小组开发的现象学细胞比例模型开始，我们与他们合作了好几年，”Gibou说。

该模型描述了分离细胞上跨膜电位的演变，已经与单个细胞在实验中的响应进行了比较和验证。

“从那里开始，我们开发了第一个计算框架，能够考虑数万个细胞的细胞聚集并模拟它们的相互作用，”他说。“最终目标是开发一种有效的组织规模电穿孔理论。”

根据Gibou和Mistani的说法，在组织规模上缺乏有效理论的主要原因之一是缺乏数据。具体地，在电穿孔的情况下缺失的数据是组织环境中每个单独细胞的跨膜电位的时间演变。他们说，实验无法进行这些测量。

“目前，实验限制阻碍了有效的组织水平电穿孔理论的发展，”米斯塔尼说。“我们的工作已经开发出一种计算方法，可以模拟球体中单个细胞对电场的响应以及它们之间的相互作用。”

每个单元格都按照一定的规则行事。

米斯提尼说：“但是当你将大量的它们放在一起时，这些聚合体就会表现出新的连贯行为。”“正是这种新兴现象对于在组织规模上发展有效理论至关重要 - 从许多个体元素的耦合中产生的新行为。”

例如，癌症治疗中使用的电穿孔的效果取决于许多因素，例如电场强度，脉冲和频率。

“这项工作可以带来一个有效的理论，有助于了解组织对这些参数的反应，从而优化这些治疗，”米斯塔尼说。“在我们工作之前，现有的最大的细胞聚集电穿孔模拟只考虑了3-D中的约100个细胞，或仅限于2-D模拟。这些模拟要么忽略了球体的真实3-D性质，要么认为细胞太少用于显示组织规模的紧急行为。“

研究人员目前正在挖掘这一独特的数据集，以开发一种有效的细胞聚集电穿孔组织规模理论。