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Modelos basados ​​en células

Los modelos basados ​​en células son modelos matemáticos que representan las células biológicas como entidades discretas. En el campo de la biología computacional, a menudo se l...

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Los modelos basados ​​en células son modelos matemáticos que representan las células biológicas como entidades discretas. En el campo de la biología computacional, a menudo se les denomina simplemente modelos basados ​​en agentes [ 1 ], de los cuales son una aplicación específica y se utilizan para simular la biomecánica de estructuras multicelulares como los tejidos , con el fin de estudiar la influencia de estos comportamientos en la organización de los tejidos en el tiempo y el espacio. Su principal ventaja es la fácil integración de procesos a nivel celular, como la división celular , los procesos intracelulares y la variabilidad de las células individuales dentro de una población celular [ 2 ] .

También se han desarrollado modelos basados ​​en continuos (modelos basados ​​en ecuaciones diferenciales parciales), en particular para cardiomiocitos y neuronas. Estos representan las células mediante geometrías explícitas y tienen en cuenta las distribuciones espaciales de los procesos tanto intracelulares como extracelulares. Según la pregunta de investigación y las áreas de estudio, abarcan desde unas pocas hasta miles de células. En particular, el marco para los modelos electrofisiológicos de células cardíacas está bien desarrollado y se ha optimizado mediante computación de alto rendimiento . [ 3 ]

Tipos de modelos

Los modelos basados ​​en células se pueden dividir en modelos sobre red y modelos fuera de red.

En la red

Los modelos reticulares, como los autómatas celulares o los potts celulares, restringen la disposición espacial de las celdas a una cuadrícula fija. Las interacciones mecánicas se llevan a cabo según reglas basadas en la literatura (autómatas celulares) [ 4 ] o minimizando la energía total del sistema (potts celulares) [ 5 ] , lo que provoca que las celdas se desplacen de un punto de la cuadrícula a otro.

Fuera de la red

Los modelos fuera de la red permiten el movimiento continuo de las células en el espacio y hacen evolucionar el sistema en el tiempo según las leyes de fuerza que rigen las interacciones mecánicas entre las células individuales. Ejemplos de modelos fuera de la red son los modelos basados ​​en el centro, [ 6 ] los modelos basados ​​en vértices, [ 1 ] los modelos basados ​​en el método de contorno inmerso [ 7 ] y el método de elementos subcelulares. [ 8 ] Se diferencian principalmente en el nivel de detalle con el que representan la forma celular. En consecuencia, varían en su capacidad para capturar diferentes mecanismos biológicos, el esfuerzo necesario para extenderlos de modelos bidimensionales a tridimensionales y también en su coste computacional. [ 9 ]

El modelo fuera de la red más simple, el modelo basado en el centro, representa las células como esferas y modela sus interacciones mecánicas mediante potenciales por pares. [ 10 ] [ 11 ] Se extiende fácilmente a un gran número de células tanto en 2D como en 3D. [ 12 ]

Vértice

Los modelos basados ​​en vértices son un subconjunto de los modelos fuera de la red. [ 1 ] Rastrean la membrana celular como un conjunto de puntos poligonales y actualizan la posición de cada vértice según las tensiones en la membrana celular resultantes de las fuerzas de adhesión célula-célula y la elasticidad celular. [ 13 ] Son más difíciles de implementar y también más costosos de ejecutar. A medida que las células se mueven unas sobre otras durante una simulación, son necesarias actualizaciones regulares de las conexiones de los bordes poligonales. [ 14 ]

Aplicaciones

Dado que tienen en cuenta el comportamiento individual a nivel celular, como la proliferación celular , la migración celular o la apoptosis , los modelos basados ​​en células son una herramienta útil para estudiar la influencia de estos comportamientos en cómo se organizan los tejidos en el tiempo y el espacio. [ 2 ] Debido en parte al aumento de la capacidad computacional, han surgido como una alternativa a los modelos de mecánica del continuo [ 15 ] que tratan los tejidos como materiales viscoelásticos promediando sobre células individuales.

Los modelos de mecánica celular suelen acoplarse a modelos que describen la dinámica intracelular, como una representación mediante ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) de una red reguladora génica relevante . También es común conectarlos a una ecuación diferencial parcial (EDP) que describe la difusión de una molécula de señalización química a través de la matriz extracelular , para tener en cuenta la comunicación célula-célula . De este modo, los modelos celulares se han utilizado para estudiar procesos que abarcan desde la embriogénesis [ 16 ] hasta la morfogénesis epitelial [ 17 ] , el crecimiento tumoral [ 18 ] y la dinámica de las criptas intestinales [ 19 ].

marcos de simulación

Existen varios paquetes de software que implementan modelos basados ​​en células, por ejemplo:

Referencias

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