Modelo tridimensional de célula biológica por sistema de multipartículas ativas

Abstract

O objetivo deste trabalho é modelar e simular uma célula tridimensional composta por uma membrana celular constituída por multipartículas ativas interligadas por um potencial de mola, um potencial de flexão, um potencial de conservação da área total e outro de área local das faces do sólido e um potencial de conservação de volume para estabilização física. Para isso, foi construído um modelo de célula 3D que funciona a partir da ligação entre partículas que formam faces triangulares para compor a membrana celular. Após a simulação foram feitas medidas reológicas para entender o comportamento da célula frente a tensões externas aplicadas e interações com o seu ambiente. Para isso, foram revisados os principais softwares e frameworks utilizados para a simulação de sistemas multicelulares interagentes. Após, foi feita revisão dos principais modelos físicos e biológicos de sistemas multicelulares diretamente relacionados e este trabalho com aplicação em sistemas imune, movimento coletivo, câncer, cicatrização, transmissão e troca de proteínas em geral. Foi dada ênfase em trabalhos que exploram o uso de subelementos celulares para a criação de células. Na parte final estudamos em detalhe o comportamento global da célula como função dos diferentes potenciais envolvidos na sua construção e fizemos medidas reológicas para caracterizar e validar o sistema em que resultados qualitativos experimentais foram reproduzidos. Por fim, aproximamos o tempo de simulação real para um sistema multicelular com 11.340 partículas. No apêndice foi feita revisão dos métodos de aceleração por hardware em que foram exploradas e comparadas as principais vantagens entre as plataformas de computação paralela utilizadas para paralelizar códigos de simulação em placas de processamento gráfico (GPUs), unidades central de processamento (CPUs) e métodos para a criação de clusters entre esses dispositivos em uma rede distribuída para simulações futuras de sistemas multicelulares e células compostas por milhares de partículas.

The aim of this work is to model and simulate a three-dimensional cell composed of a membrane that consists of active multiparticles interconnected by a bond potential, a bending potential, a total area conservation potential and another local area conservation potential of the faces and a volume conservation potential for physical stabilization. For that, a 3D cell model was built that works based on the particles bonding that form triangular faces to compose the cell membrane. After the simulation rheological measures were made to understand the cell behavior in the face of external stresses applied and interactions with the environment. For this, the main software and frameworks used for interacting multicellular systems were reviewed. After that the main physical and biological multicellular systems models related to this work with applications in immune systems, collective movement, cancer, wound healing, transmission and protein exchange in general were reviewed where emphasis was given in works that explore the use of subcellular element to create cells. In the last part of the work we studied in detail the general behavior of the cell as a function of the potentials involved in the three-dimensional model and we made rheological measurements to characterize and validate the cell in which experimental qualitative results were reproduced. Finally, we approximate the real time simulation for a multicellular system with 11,340 particles. In the appendix, a review was made in hardware acceleration methods where the main advantages were explored and compared among the parallel computing platforms that run codes in parallel on graphical processing units (GPUs), central processing units (CPUs) and methods to create clusters among those devices in a distributed network for future simulations of multicellular systems and cells composed of thousands of particles.