Penelitian baru dapat digunakan untuk mengobati kanker, menyembuhkan luka perang – Sains Terkini


Penelitian Angkatan Darat adalah yang pertama mengembangkan model komputasi menggunakan prosedur mikrobiologi yang dapat digunakan untuk meningkatkan perawatan kanker baru dan mengobati luka perang.

Menggunakan teknik, yang dikenal sebagai elektroporasi, medan listrik diterapkan pada sel untuk meningkatkan permeabilitas membran sel, yang memungkinkan bahan kimia, obat-obatan, atau DNA untuk dimasukkan ke dalam sel. Misalnya, elektro-kemoterapi adalah pengobatan kanker mutakhir yang menggunakan elektroporasi sebagai sarana untuk mengantarkan kemoterapi ke dalam sel kanker.

Penelitian, yang didanai oleh Angkatan Darat AS dan dilakukan oleh para peneliti di University of California, Santa Barbara dan Université de Bordeaux, Prancis, telah mengembangkan pendekatan komputasi untuk simulasi paralel yang memodelkan interaksi bioelektrik kompleks pada skala jaringan.

Sebelumnya, sebagian besar penelitian telah dilakukan pada sel-sel individual, dan setiap sel berperilaku sesuai dengan aturan tertentu.

"Ketika Anda mempertimbangkan sejumlah besar dari mereka bersama-sama, agregat menunjukkan perilaku baru yang koheren," kata Pouria Mistani, seorang peneliti di UCSB. "Ini adalah fenomena yang muncul yang sangat penting untuk mengembangkan teori yang efektif pada skala jaringan – perilaku baru yang muncul dari penggabungan banyak elemen individu."

Penelitian baru ini, diterbitkan dalam Jurnal Fisika Komputasi, didanai oleh Laboratorium Riset Komando Pengembangan Angkatan Darat Komando Pengembangan AS, laboratorium riset korporat Angkatan Darat yang dikenal sebagai ARL, melalui Kantor Penelitian Angkatan Daratnya.

"Penelitian matematika memungkinkan kita untuk mempelajari efek bioelektrik sel untuk mengembangkan strategi anti-kanker baru," kata Dr. Joseph Myers, kepala divisi ilmu matematika Kantor Penelitian Angkatan Darat. "Penelitian baru ini akan memungkinkan eksperimen virtual yang lebih akurat dan mampu dari evolusi dan pengobatan sel, kanker atau sehat, sebagai tanggapan terhadap berbagai kandidat obat."

Para peneliti mengatakan elemen penting dalam membuat ini mungkin adalah pengembangan algoritma komputasi canggih.

"Ada cukup banyak matematika yang masuk ke dalam desain algoritma yang dapat mempertimbangkan puluhan ribu sel yang diselesaikan dengan baik," kata Frederic Gibou, seorang anggota fakultas di Departemen Teknik Mesin dan Ilmu Komputer di UCSB.

Aplikasi potensial lainnya adalah mempercepat penyembuhan luka tempur menggunakan denyut listrik.

"Ini adalah area yang menarik, tetapi sebagian besar belum dijelajahi yang berasal dari diskusi yang lebih dalam di perbatasan biologi perkembangan, yaitu bagaimana listrik mempengaruhi morfogenesis," – atau proses biologis yang menyebabkan organisme mengembangkan bentuknya – kata Gibou. "Dalam penyembuhan luka, tujuannya adalah untuk memanipulasi isyarat listrik secara eksternal untuk memandu sel-sel agar tumbuh lebih cepat di daerah yang terluka dan mempercepat proses penyembuhan."

Faktor umum di antara aplikasi ini adalah sifat fisik bioelektrik mereka. Dalam beberapa tahun terakhir, telah ditetapkan bahwa sifat bioelektrik organisme hidup memainkan peran penting dalam pengembangan bentuk dan pertumbuhannya.

Untuk memahami fenomena bioelektrik, kelompok Gibou mempertimbangkan eksperimen komputer pada spheroid multiseluler dalam 3-D. Spheroids adalah kumpulan dari beberapa puluh ribu sel yang digunakan dalam biologi karena kesamaan struktural dan fungsionalnya dengan tumor.

"Kami mulai dari model skala sel fenomenologis yang dikembangkan dalam kelompok penelitian kolega kami, Clair Poignard, di Université de Bordeaux, Prancis, dengan siapa kami telah berkolaborasi selama beberapa tahun," kata Gibou.

Model ini, yang menggambarkan evolusi potensi transmembran pada sel yang terisolasi, telah dibandingkan dan divalidasi dengan respon sel tunggal dalam percobaan.

"Dari sana, kami mengembangkan kerangka kerja komputasi pertama yang mampu mempertimbangkan agregat sel puluhan ribu sel dan mensimulasikan interaksi mereka," katanya. "Tujuan akhirnya adalah mengembangkan teori skala jaringan yang efektif untuk elektroporasi."

Salah satu alasan utama tidak adanya teori yang efektif pada skala jaringan adalah kurangnya data, menurut Gibou dan Mistani. Secara khusus, data yang hilang dalam kasus elektroporasi adalah evolusi waktu dari potensi transmembran dari setiap sel individu dalam lingkungan jaringan. Eksperimen tidak dapat melakukan pengukuran itu, kata mereka.

"Saat ini, keterbatasan eksperimental mencegah pengembangan teori elektroporasi tingkat jaringan yang efektif," kata Mistani. "Pekerjaan kami telah mengembangkan pendekatan komputasi yang dapat mensimulasikan respons sel-sel individual dalam sebuah spheroid ke medan listrik serta interaksi timbal baliknya."

Setiap sel berperilaku sesuai dengan aturan tertentu.

"Tetapi ketika Anda mempertimbangkan sejumlah besar dari mereka bersama-sama, kelompok agregasi menunjukkan perilaku baru yang koheren," kata Mistani. "Ini adalah fenomena yang muncul yang sangat penting untuk mengembangkan teori yang efektif pada skala jaringan – perilaku baru yang muncul dari penggabungan banyak elemen individu."

Efek elektroporasi yang digunakan dalam pengobatan kanker, misalnya, tergantung pada banyak faktor, seperti kekuatan medan listrik, denyut nadi dan frekuensinya.

"Pekerjaan ini dapat membawa teori yang efektif yang membantu memahami respon jaringan terhadap parameter ini dan dengan demikian mengoptimalkan perawatan tersebut," kata Mistani. "Sebelum pekerjaan kami, simulasi terbesar yang ada dari elektroporasi agregat sel hanya mempertimbangkan sekitar seratus sel dalam 3-D, atau terbatas pada simulasi 2-D. Simulasi tersebut mengabaikan sifat 3-D nyata dari spheroid atau dianggap terlalu sedikit sel. untuk perilaku muncul skala jaringan muncul. "

Para peneliti saat ini menambang dataset unik ini untuk mengembangkan teori skala jaringan yang efektif dari elektroporasi agregat sel.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.