在脉冲

在不远的将来，在促进细胞快速生长的电脉冲的帮助下，伤口可能会愈合得更快。同样类型的脉冲可用于更有效和更有效地运送抗疾病药物。这种处理方法依赖于一种被称为“电穿孔”的过程，在这个过程中，电场作用于细胞以增加细胞膜的渗透性。电穿孔疗法已经被用于实验，将化疗药物注入癌细胞，但这种疗法还处于起步阶段，需要大量的试验和错误。

机械工程学教授弗雷德里克·吉布(Frederic Gibou)和加州大学圣巴巴拉分校(UC Santa Barbara)的一组同事开发了第一个在组织尺度上研究电穿孔的计算模型。他们的研究由美国陆军研究办公室(ARO)战斗能力发展司令部陆军研究实验室资助，发表在《计算物理杂志》上。

阿罗数学科学部主任约瑟夫•迈尔斯(Joseph Myers)强调了此类模拟的应用。“数学研究使我们能够研究细胞的生物电效应，从而开发新的抗癌策略，”他说。“这项新研究将使更精确、更有能力的虚拟实验成为可能，这些实验将针对各种候选药物对癌细胞或健康细胞的进化和治疗做出反应。”最终，电子脉冲也可能被用来加速战斗创伤的愈合。”

机械工程系系主任吉布说:“这是一个令人兴奋但主要尚未探索的领域，它源于发展生物学前沿的一个更深入的讨论，即电如何影响形态形成，这是一种导致生物体形成其形状的生物学过程。”

到目前为止，对电穿孔效应的模拟最多一次只能对几个细胞进行。但是一个完整的细胞集体系统的功能与简单的细胞部分的总和大不相同。它不仅是目前不可能观察原位细胞作为一个系统,但环境温度和压力等变量,以及强度、持续时间和模式引入电场的影响个人的行为不仅细胞,但更重要的是,作为一个整体的系统。

“当你把大量的细胞放在一起考虑时，它们会表现出新颖的连贯行为，”吉布研究小组的博士生、论文的第一作者普里亚米斯塔尼(Pouria Mistani)说。“正是这种涌现的现象——许多个体元素耦合产生的新行为——对在组织尺度上发展有效的理论至关重要。”

吉布的团队所创建的计算算法，在达到这样一个系统级的理解方面，还缺少一些东西。吉布说:“有相当多的计算科学进入了算法的设计，这些算法可以考虑成千上万个分辨率良好的细胞。”“我们设计了描述细胞膜物理的并行算法，然后将其实现到德克萨斯高级计算中心的一台超级计算机中。模拟为我们提供了单个细胞总和的数据，这些数据为我们提供了接近集群涌现现象的途径，我们现在可以挖掘这些现象来发展一种理论。”

研究小组从吉布的长期同事、法国波尔多大学(university of Bordeaux)研究科学家克莱尔·波伊格纳德(Clair Poignard)的研究小组开发的单细胞现象学模型开始。吉布说:“这个模型描述了一个孤立细胞上跨膜电位的演变，并在实验中与单个细胞的反应进行了比较和验证。”“然后我们能够对大量细胞群进行类似的模拟，在整个细胞球周围施加一个大电场。你可以想象，在表面的细胞将获得大量的电流，并将阴影的细胞进一步远离表面得到。”

吉布和米斯塔尼解释说，缺乏有效的组织尺度理论的主要原因之一是缺乏数据。具体来说，在电穿孔的情况下，缺失的数据是组织环境中每个细胞跨膜电位的时间演化。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，可以模拟由成千上万个细胞组成的球体中每个细胞对电场的响应，以及数百万种相互作用。迄今为止，这是对细胞集合体电穿孔的最大模拟。它已经成功地在三维多细胞球体结构中为成千上万的高分辨率细胞的电穿孔过程提供了tb级的高保真度测量。”

Mistani说，这项工作可能会产生一个有效的理论，帮助科学家更好地理解组织对这些参数的反应，从而优化这些治疗。他说:“以前，现有最大的细胞聚集电穿孔模拟只考虑了大约100个三维细胞，或者仅限于二维模拟。”“这些模拟要么忽略了球体的真实三维本质，要么认为细胞太少，无法表现出组织规模的紧急行为。”

吉布解释说:“我们的模拟提供了建立理论所需的数据。”“这不仅仅是一种‘更便宜的’实验方法。相反，它提供了你无法从实验中获得的信息，因为使用当前的实验技术，不可能测量每个细胞的相关物理特征。如果你试图通过放置电极或其他什么来进行测量，你就改变了整个系统。

吉布补充说，在他们的研究中，他的团队在统计物理的框架内挖掘数据，统计物理是一种理论工具，已经成功地用于描述材料的模拟结果。他说:“这使我们能够把星系团看作一种物质，并发展出理论。”“该理论将为我们提供一个关于集群行为的更简单的方程，从而为理解和控制生物电提供一个工具。”

吉布继续说:“我们做了模拟，我们正在建立理论框架来理解这个系统，然后我们要给这个模型增加一些复杂性，以便越来越接近癌细胞的行为。”“最终，当能够探测平均行为的实验被执行时，他们会更有方向性，因为他们得到了模型的启发。”