Ricercatori hanno sviluppato quello che definiscono un’“arteria virtuale”, un modello multiscala che comprende dati di fisica, chimica e biologia. L’equipe è riuscita a replicare l’attività delle singole cellule nella parete delle arterie (cellule endoteliali, cellule dei muscoli lisci) e nel flusso sanguigno (globuli rossi, piastrine, globuli bianchi).
Stavano studiando la tonaca media (lo strato intermedio dell’arteria fatto da muscolo e tessuto), che nel modello era composto da cellule sferiche che formavano un reticolo esagonale serrato, progettato per imitare la meccanica delle cellule del muscolo liscio (CML) quiescenti.
Le cure per la stenosi, restringimento patologico di un canale, spesso richiedono l’uso di un’angioplastica con palloncino e stent. Questo a sua volta può avere come risultato la cosiddetta “restenosi intra-stent”, la crescita di CML in un’arteria coronaria. L’equipe di ricerca si proponeva di sviluppare un mezzo per prevedere statisticamente le probabilità che qualcuno sviluppi questo pericoloso effetto collaterale post-terapia, che può spesso risultare in un’altra operazione chirurgica di riparazione.
Un’“arteria virtuale” come modello delle singole cellule e delle loro interazioni
La ricerca, in parte finanziata dall’UE, è stata recentemente descritta in un articolo pubblicato su
“Royal Society Publishing”. Spiega come, dopo precedenti applicazioni del modello in simulazioni bi-dimensionali, la versione tri-dimensionale sia stata adesso convalidata rispetto a dati raccolti da test effettuati su strisce dissezionate di tonaca media.
Il sistema modello dell’equipe trattava le singole CML come entità che interagiscono tra di loro, tenendo conto allo stesso tempo del fatto che le singole cellule attraversano dei cicli. In questo modo hanno potuto rappresentare in modo più completo l’ambiente meccanico e biochimico delle cellule.
I modelli di test di stiramento sono stati confrontati a quelli effettuati in vitro, nei quali strisce dissezionate di tonaca media erano stirate in direzioni longitudinali e circonferenziali.
Il calcolo ad alte prestazioni fa la differenza
Usando questo metodo di modellazione, l’equipe ha potuto anche studiare il trasporto di piastrine nell’aneurisma, simulando le proprietà meccaniche di singoli globuli rossi e piastrine e accoppiandoli con il flusso del plasma sanguigno. Attualmente stanno lavorando per integrare ulteriormente gli apporti di biologia e chimica, che permetteranno loro di carpire i processi legati alla trombosi.
L’applicabilità di questa metodologia a vari processi biomedici riflette gli obiettivi dei progetti finanziati dall’UE, COMPBIOMED e COMPAT, il cui lavoro ha contribuito a questi risultati pubblicati.
Il progetto COMPBIOMED (A Centre of Excellence in Computational Biomedicine) è stato creato specificamente per sfruttare la crescente potenza di computer ad alte prestazioni per incrementare la precisione dei modelli al fine di capire meglio la medicina cardiovascolare, basata sulle molecole e neuro-muscoloscheletrica. L’obiettivo finale è sviluppare un workflow automatizzato nel quale i dati presi da un singolo paziente possono essere immessi ed elaborati per generare esiti sanitari previsti, offrendo la prospettiva di una medicina più personalizzata.
Una delle principali difficoltà di costruire questi modelli di previsione è la complessità comportata dalla replica delle variabili inerenti in processi fisici multiscala, che riguardano il tempo e il luogo. Il progetto COMPAT (Computing Patterns for High Performance Multiscale Computing) ha contribuito conoscenze raccolte dagli algoritmi riutilizzabili di Calcolo multiscala ad alte prestazioni, scalabile fino ai cosiddetti sistemi exascale (almeno un miliardo di miliardi di calcoli al secondo). L’obiettivo del progetto è sviluppare un software che trasformerà le simulazioni al computer in una scienza di previsione.
Per maggiori informazioni, consultare:
Sito web del progetto COMPBIOMEDSito web del progetto COMPAT
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