ABD Ordu araştırma ekibi, doku ölçeğindeki karmaşık biyoelektrik etkileşimi modelleyen paralel simülasyonlar için hesaplamalı bir yaklaşım geliştirdi. Bu yöntemde hücreler, zar geçiş potansiyellerine göre renklendiriliyor.

ABD Ordu Araştırma ekibi, yeni kanser tedavilerini geliştirmek ve savaş yaralarını tedavi etmek için kullanılabilecek bir mikrobiyoloji prosedürü kullanarak hesaplama modelleri geliştirerek bir ilke imza attı.

Bu method Elektroporasyon olarak bilinen tekniği kullanarak gerçekleştiriliyor. Elektroporasyon işleminde hücre zarının geçirgenliğini artırmak için hücrelere kimyasallar, ilaçlar veya DNA’nın hücreye girmesine izin vermek için bir elektrik akımı uygulanır. Örneğin, elektro-kemoterapi, kemoterapiyi kanserli hücrelere iletmek için elektroporasyon kullanan son teknoloji bir kanser tedavisidir.

ABD Ordusu tarafından finanse edilen ve California Üniversitesi, Santa Barbara ve Fransa’daki Université de Bordeaux’daki araştırmacılar tarafından yürütülen bu araştırmada, doku ölçeğindeki karmaşık biyoelektrik etkileşimi modelleyen paralel simülasyonlar için hesaplamalı bir yaklaşım geliştirildi.

Geçmişte çoğu araştırma tek hücre üzerinden yapılmıştı ve her hücrenin davranışları farklıydı.

UCSB’de çalışan bir araştırmacı olan Pouria Mistani, “Hücreleri çok sayıda ele aldığınızda, toplu olarak yeni farklı davranışlar sergiliyorlar. Bu birçok bireysel unsurun birleşmesinden ortaya çıkan yeni davranışlar yani fenomenler, doku ölçeğinde etkili teoriler geliştirmek için çok önemli.”

Journal of Computational Physics‘de yayınlanan bu yeni araştırma, Ordu Araştırma Ofisi aracılığıyla ARL olarak bilinen kurumsal araştırma laboratuarı yani “ABD Savaş Yetenekleri Geliştirme Komutanlığı Ordu Araştırma Laboratuvarı” tarafından finanse ediliyor.

Ordu Araştırma Ofisi matematik bilimleri bölüm şefi Dr. Joseph Myers, “Matematiksel araştırma, yeni anti-kanser stratejileri geliştirmek için hücrelerin biyoelektrik etkilerini incelememize olanak sağlıyor. Bu yeni araştırma, çeşitli aday ilaçlara yanıt olarak, kanserli/sağlıklı hücrelerin evrimi ve tedavisine ilişkin daha doğru, yeterli sanal deneyler sağlayacaktır.”

Araştırmacılar, bu yöntemi mümkün kılmanın çok önemli bir unsurunun gelişmiş hesaplama algoritmasının geliştirilmesi olduğunu söylüyorlar.

UCSB Makine Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü öğretim üyesi Frederic Gibou, “On binlerce iyi çözümlenmiş hücreyi göz önünde bulundurabilecek algoritmaların tasarımına giren birçok matematik var” dedi.

Bir başka potansiyel uygulama ise elektriksel titreşimler kullanarak savaş yarası iyileşmesini hızlandırmak.

Gibou, “Gelişim biyolojisinin sınırındaki derin bir tartışma olan elektriğin morfogenezi nasıl etkilediği; bir organizmanın şeklini geliştirmesine neden olan biyolojik süreçten kaynaklanan, heyecan verici, ancak keşfedilmemiş bir alan. Yara iyileşmesinde amaç, yaralı bölgedeki hücrelerin daha hızlı büyümesi ve iyileşme sürecini hızlandırması için elektrisel işaretlerin harici olarak manipüle etmesi gerekmektedir.”

Bu uygulamalar arasında ortak faktör, biyoelektrik fiziksel yapıları. Son yıllarda, biyoelektrik doğasının canlı organizmaların formlarının ve büyümelerinin gelişiminde çok önemli bir rol oynadığı tespit edilmiştir.

Biyoelektrik olayları anlamak için Gibou’nun grubu, 3-D’deki çok hücreli sferoidler üzerinde bilgisayar deneyleri yaptı. Sferoidler; biyolojide kullanılan on binlerce hücre topakları, tümörlerle yapısal ve fonksiyonel benzerlikleri nedeniyle tercih edilmektedir.

Gibou, “Araştırmaya Fransa’dan Bordeaux Üniversitesindeki meslektaşımız, Clair Poignard’ın araştırma grubunda geliştirilen ve birkaç yıldır birlikte çalıştığımız fenomenolojik hücre ölçeği modelinden başladık.” Dedi.

İzole bir hücrede transmembran potansiyelinin gelişimini tarif eden bu model, deneylerde tek bir hücrenin tepkisi ile karşılaştırıldı ve doğrulandı.

“Bu doğrulama ile on binlerce hücrenin hücre toplamını göz önünde bulundurabilen ve etkileşimlerini simüle edebilen ilk hesaplama çerçevesini geliştirdik. Son olarak amacımız, elektroporasyon için etkili bir doku ölçeği teorisi geliştirmek.”

Gibou ve Mistani’ye göre, doku ölçeğinde etkili bir teori olmamasının temel nedenlerinden biri veri eksikliği. Spesifik olarak elektroporasyon durumundaki hücreler hakkında ki eksik veriler; doku hücresindeki her bir hücrenin transmembran potansiyelinin zaman içindeki gelişimidir. Deneyler bu ölçümleri ne yazık ki yapamıyor.

Mistani, “Şuanki deneysel sınırlamalar etkili bir doku düzeyinde elektroporasyon teorisinin gelişmesini engelliyor. Çalışmamız, bir sferoid içindeki tek tek hücrelerin bir elektrik alanına karşı karşılıklı etkileşimlerini ve aynı zamanda etkileşimlerini simüle edebilen hesaplamalı bir yaklaşım geliştirdi.”

Her hücre belirli kurallara göre davranır.

Mistani, “Ancak çok sayıda hücre bir araya geldiğinde, topluluk yeni farklı davranışlar sergiliyor. Bu, birçok bireysel unsurun birleşmesiyle ortaya çıkan davranışlar yani fenomen, doku ölçeğinde etkili teoriler geliştirmek için çok önemli.”dedi.

Örneğin kanser tedavisinde kullanılan elektroporasyonun etkileri, elektrik alanın gücü, titreşime ve sıklığı gibi birçok faktöre bağlıdır.

Mistani, “Bu çalışma dokuların bu parametrelere verdiği cevabı anlamaya ve böylece bu tür tedavileri optimize etmeye yardımcı olan etkili bir teori getirebilir. Çalışmamızdan önce, mevcut en büyük hücre agrega elektroporasyon simülasyonları sadece 3 boyutlu olarak yaklaşık yüz hücre olarak düşünülmüş veya 2 boyutlu simülasyonlarla sınırlı kalmıştı ve bu simülasyonlar ya sferoidlerin gerçek 3 boyutlu yapısını göz ardı etmiş ya da çok az sayıda hücre olarak düşünülmüştü bu durumda doku ölçeğinde ortaya çıkan davranışların açıkça göstermiyor. “

Araştırmacılar şu anda; hücre toplulukları üzerindeki elektroporasyonunun etkisini yani bu eşsiz veri setini inceleyerek bir doku ölçeği teorisi geliştirmek için çalışıyor.

Kaynak : sciencedaily.com

22.08.1998 Kütahya doğumlu. İlk-orta ve lise eğitimini Niğde’de tamamladı. 2016 yılında Marmara Üniversitesi Biyoloji bölümünü kazandı ve şuan 3. Sınıf biyoloji öğrencisi aynı zamanda Marmara Üniversitesi Hayvanları Koruma kulübü başkanlığını da yapmakta.
×
22.08.1998 Kütahya doğumlu. İlk-orta ve lise eğitimini Niğde’de tamamladı. 2016 yılında Marmara Üniversitesi Biyoloji bölümünü kazandı ve şuan 3. Sınıf biyoloji öğrencisi aynı zamanda Marmara Üniversitesi Hayvanları Koruma kulübü başkanlığını da yapmakta.