Um modelo estocástico para a migração de células individuais

Abstract

O estudo de processos biológicos que produzem a dinâmica de sistemas vivos utilizando ferramentas matemáticas e computacionais é uma área de grande interesse da ciência moderna, e a mobilidade celular é um de seus temas principais, pois está presente em diversos processos de tecidos saudáveis e de doenças, como no desenvolvimento do câncer. A partir de dados experimentais de diversos laboratórios com diferentes tipos de células aplicando técnicas de análise estatística, foi proposta uma modificação na teoria canônica para ajustar o comportamento das células para escalas de tempo pequenas. Também foi desenvolvido um modelo computacional em ambiente virtual CompuCell3D para a simulação de migração de células eucariontes sobre substrato plano, utilizando método de Monte Carlo. Diferente de outros modelos apresentados na literatura, este modelo é tridimensional e simula o comportamento de uma célula composta pelas organelas intracelulares que estão envolvidas na biomecânica do movimento celular. As simulações reproduzem, espontaneamente, o processo de quebra de simetria que permite que a célula comece a migrar de forma persistente. Ainda assim, as simulações apresentaram baixo custo computacional, gerando a perspectiva de implementação para o estudo do movimento coletivo de células ou de engenharia de tecidos. São apresentados todos os passos necessários para a implementação de simulações de mobilidade celular em ambiente CompuCell3D. Os resultados da tese indicam um protocolo para a medida de mobilidade celular que possibilita a comparação entre os resultados de diferentes experimentos ou simulações apenas por um parâmetro adimensional. Este protocolo evita erros como na determinação da velocidade média das células. Os resultados das simulações indicam a existência de uma correlação entre a polarização da célula e o seu deslocamento futuro, no entanto, esta correlação ainda não está totalmente caraterizada.

The study of biological processes that produce the dynamics of living systems using mathematical and computational tools is an area of great interest in modern science, and cell mobility is one of its main themes, as it is present in several healthy tissue processes and diseases, as in the development of cancer. Based on experimental data from different laboratories with different types of cells applying statistical analysis techniques, a modification in the canonical theory has been proposed to adjust the behavior of cells for small time scales. A computational model in a virtual environment CompuCell3D was also developed to simulate the migration of eukaryotic cells on a flat substrate, using the Monte Carlo method. Unlike other models presented in the literature, this model is three-dimensional and simulates the behavior of a cell composed of intracellular organelles that are involved in the biomechanics of cell movement. The simulations spontaneously reproduce the symmetry breaking process that allows the cell to start migrating persistently. Even so, the simulations showed low computational cost, generating the prospect of implementation for the study of the collective movement of cells or tissue engineering. All the necessary steps for the implementation of cell mobility simulations in a CompuCell3D environment are presented. The results of the thesis indicate a protocol for the measurement of cellular mobility that makes it possible to compare the results of different experiments or simulations using only one dimensionless parameter. This protocol avoids errors as in the determination of the average speed of the cells. The results of the simulations still indicate the existence of a correlation between the polarization of the cell and its future displacement; however, this correlation is not yet fully characterized.