O longo caminho para substituir seringas e agulhas por pulsos elétricos

A reação do conjunto das células dá origem a "comportamentos emergentes" coletivos, que não podem ser entendidos estudando células individuais.
[Imagem: Mistani et al. - 10.1016/j.jcp.2018.12.009]

Eletroporação

A eletroporação é um processo no qual um campo elétrico é aplicado às células para aumentar a permeabilidade da membrana celular.

Já começaram testes para usar a técnica para reduzir as cicatrizes após queimaduras e, num futuro próximo, a eletroporação poderá ajudar as feridas a se curarem mais rapidamente. O mesmo tipo de pulso elétrico promete uma entrega mais eficiente de medicamentos para combater doenças, incluindo a quimioterapia em células cancerígenas e outras terapias sem uso de agulhas.

"Esta é uma área entusiasmante, mas principalmente inexplorada, que parte de uma discussão mais profunda na fronteira da biologia do desenvolvimento, ou seja, como a eletricidade influencia a morfogênese, o processo biológico que faz com que um organismo desenvolva sua forma," explica o professor Frederic Gibou, da Universidade da Califórnia de Santa Bárbara (EUA).

Comportamentos emergentes

Até agora, as simulações dos efeitos da eletroporação têm sido conduzidas em, no máximo, algumas células individuais de cada vez. Mas todo um sistema coletivo de células funciona de maneira muito diferente do que simplesmente a soma de suas partes celulares.

Além disso, observar as células como um sistema in situ não é suficiente, sendo preciso levar em conta variáveis como temperatura e pressão ambientais, bem como a força, a duração e o padrão do campo elétrico utilizado, e como tudo isso afeta o comportamento não apenas das células individuais mas, mais importante, do tecido ou órgão como um todo.

Uma imagem da simulação de um grande aglomerado esférico de células respondendo a um pulso elétrico, que faz as vezes de uma "agulhada".
[Imagem: Pouria Mistani/Frederic Gibou]

"Quando você considera um grande número de células juntas, o agregado exibe novos comportamentos coerentes," conta o pesquisador Pouria Mistani. "É esse fenômeno emergente - novos comportamentos que emergem do acoplamento de muitos elementos individuais - que é crucial para o desenvolvimento de teorias efetivas na escala do tecido".

Para ajudar nessa compreensão, a equipe criou algoritmos computacionais que estão ajudando a interpretar esses complexos resultados que emergem da ação sobre células individuais, o que é crucial para que a eletroporação passe dos laboratórios para as clínicas e hospitais.

"Nós idealizamos os algoritmos paralelos para descrever a física nas membranas celulares e então os implementamos em um supercomputador. As simulações nos deram os dados do somatório das células individuais, e esses dados nos deram acesso ao fenômeno emergente do aglomerado, que agora podemos extrair para desenvolver uma teoria," disse Gibou.

Teoria para guiar os experimentos

Mistani afirma que esses resultados da simulação em um supercomputador podem ajudar a compor uma teoria explicativa que ajude os cientistas a entender melhor a resposta tecidual a cada um dos parâmetros da eletroporação e, assim, otimizar cada tratamento.

"Nós fizemos a simulação, estamos construindo o arcabouço da teoria para entender o sistema, e então vamos adicionar alguma complexidade ao modelo para nos aproximarmos cada vez mais do comportamento de, talvez, células cancerígenas," contou Gibou. "E, no final, quando os experimentos que podem sondar os comportamentos médios forem realizados, eles serão mais direcionados porque serão fundamentados pelo modelo."