SISTEMAS DE INFORMAÇÃO EM SAÚDE
 

Pesquisar e desenvolver procedimentos inovativos e na fronteira do conhecimento para a modelagem e simulação da micromecânica dos constituintes das células e dos dispositivos para sua manipulação e análise.

O comportamento micromecânico das células vivas possui estreita relação com o papel funcional por elas desempenhado em órgãos e tecidos de um organismo. Em outras palavras, a função das células em um organismo depende de suas características biomecânicas em escala microscópica. Adicionalmente ao movimento celular em suas próprias estruturas, a motilidade celular também se dá nos fluidos circundantes presentes em seu ambiente natural, no qual as células se deslocam e se deformam. A pesquisa em biomecânica celular, portanto, submete as células e seus componentes a forças e estímulos externos que permitam a realização de microestudos mecânicos. Para tanto, existem dispositivos microfluídicos, tais como as micropipetas e as armadilhas de luz, conhecidas como pinças ópticas (optical tweezers, em inglês), que têm resolução e são estáveis o suficiente a ponto de conseguir manipular e deformar uma única célula. Permitem medir quantidades físicas tais como forças (que estão na ordem de picoNewtons) e deslocamentos (nano a micrométricos). Esses “single-cell experiments” têm um enorme potencial de descobertas biológicas e médicas, que ainda permanece pouco explorado pela novidade da tecnologia envolvida. Assim como, hoje em dia, é impensável o trabalho com estruturas mecânicas macroscópicas sem o auxílio de um software de computação científica, a necessidade de dispor, para os próximos anos, de modelos computacionais de estruturas biológicas a escala celular resulta evidente. Como primeiras aplicações de tais sistemas poderia ser simulado o comportamento de vesículas ou outras estruturas simples constituídas do material mais abundante do microbiológico: os fosfolipídios, os quais integram desde bactérias e células nucleadas, e até mesmo organelas celulares como a mitocôndria. Assim sendo, poderiam ser oferecidas algumas respostas relativas a micromecânica de processos celulares fundamentais.

Para tanto, a micromecânica celular carece de métodos computacionais que sejam precisos, eficientes, robustos e gerais o suficiente para atender as expectativas da tecnologia experimental já disponível. Nesse aspecto, nos pautaremos nos modelos físico/matemáticos das membranas celulares já bem estabelecidos e em nossas últimas contribuições para avançar e manter o estado da arte da biofluídica computacional alinhado com o da tecnologia experimental. A ampliação dos horizontes da experimentação virtual – atualmente restritos por questões de modelagem – será preconizada. Para tanto, serão implementados modelos físicos de complexidade incremental ao longo do projeto. Eles considerarão acoplamento mecânico entre a membrana celular e seu citoesqueleto, possível deslizamento entre as camadas fosfolipídicas interior e exterior, deformação mecânica de canais iônicos, interação de membranas com proteínas, etc., na medida que seja julgado importante no contexto científico internacional.

Atividades

  1. Estudo e implementação computacional de modelos avançados para membranas celulares formadas por bicamadas lipídicas – moléculas estas que formam a matéria-prima celular mais básica. Diferentes modelos e comportamentos precisam ser considerados, em particular, modelos governados por uma energia de deformação elástica e aqueles concebidos via uma energia de curvatura.
  2. Incorporação desses modelos de membranas biológicas em formulações CFD tridimensionais dos fluidos interior e exterior. Imposição de restrições matemáticas tais como inextensibilidade (incompressibilidade superficial) e, em se tratando de membranas fechadas, da interação osmótica do volume interior com o exterior. Incorporação de fenômenos de adesão seletiva.
  3. Estudo teórico-computacional sobre a formação de grandes elongações cilíndricas (tethers), obtidos mediante aplicação de forças externas em uma pequena parcela da membrana. Este tipo de problema é de grande importância, já que esta é uma das técnicas mais utilizadas para medir e entender as propriedades mecânicas das membranas celulares.  
  4. Estudo e implementação de efeitos de curvatura de membranas com borda. Este ponto faz-se indispensável no estudo de transições estruturais de forma do colesterol HDL. Na clássica densidade de energia de Canham-Helfrich há de ser adicionado um termo quadrático na curvatura da curva interfacial, o qual pode ser interpretado tanto como uma apolipoproteína ou como efeito hidrofóbico de borda (nesse caso, referindo-se a membrana aberta formada apenas de fosfolipídios).
  5. Modelagem dos efeitos de flutuações térmicas, de maneira a complementar as técnicas de interferometria óptica, que permitem quantificar com bastante precisão essas flutuações em células tais como hemácias. Uma aplicação interessante seria o estudo da transição morfológica de hemácias e a sua relação com mudanças mecânicas que possam alterar o transporte de oxigênio no sangue.
  6. Desenvolvimento do arcabouço de métodos computacionais necessários para a implementação de um laboratório virtual de bioquímica-mecânica celular microscópica. A possibilidade de experimentação virtual em processos bioquímicos já existe na escala molecular (Molecular Dynamics), mas apenas consegue simular processos de tamanhos nanoscópicos e cuja duração não excede alguns microsegundos. A factibilidade de simular células completas com MD nos próximos anos é praticamente nula, já que seu custo cresce com a sexta potência do tamanho (simular um sistema de 1 micron custa um milhão de vezes mais do que simular um de 0.1 micron). Por isto, a experimentação virtual na escala da célula deverá ser feita com modelos contínuos ou quasi-contínuos do tipo que serão estudados e desenvolvidos nesse projeto. Uma vez avançadas as atividades de pesquisa mais básica do projeto nos primeiros três anos, concentrar-se-á esforços em preencher todas as lacunas existentes para acabar com um conjunto de ferramentas (teóricas e computacionais) completas e integradas para experimentação virtual.

Metas

  1. Até final de 2017: Desenvolvimento dos modelos computacionais para simulação de bicamadas lipídicas, incluindo os modelos baseados em energia elástica e de curvatura. Desenvolvimento de modelos de interação da membrana com a formulação CFD do fluido ambiente, levando em conta a incompressibilidade superficial e a interação osmótica entre o interior e o ambiente.
  2. Até final de 2019: Desenvolvimento dos modelos computacionais para simulação de bicamadas lipídicas junto ao citoesqueleto e modelagem do deslizamento entre camadas fosfolipídicas.
  3. Até final de 2019: Estudo teórico-computacional da formação de tethers em organismos celulares. Calibração dos modelos teóricos via comparação com resultados de experimentos com micropipetas e pinças ópticas.
  4. Até final de 2019: Desenvolvimento dos modelos matemáticos e computacionais para estudar efeitos de curvatura de membranas com borda para modelagem das células do colesterol HDL
  5. Até final de 2019: Estudo e implementação dos modelos para considerar flutuações térmicas. Calibração dos modelos teóricos via comparação com resultados de interferometria óptica.
  6. Até final de 2021: Caracterização de transições morfológicas explicadas em termos das mudanças nas propriedades mecânicas dos organismos celulares.
  7. Até final de 2021: Desenho e desenvolvimento do pacote teórico/computacional de experimentação virtual. Escrita de documentação a respeito, provavelmente um livro e o manual dos programas.
  8. Até final de 2021: Finalização do pacote teórico/computacional, transferências a parceiros, divulgação dos resultados finais.

Impactos

  • Os métodos implementados no projeto possibilitarão análises inversas para otimização de experimentos e identificação de parâmetros em doenças relacionadas com a geometria da membrana celular. Sejam as alterações morfológicas celulares causa ou consequência de alguma patologia, certamente o acoplamento mecânico entre as estruturas intra-celulares e a membrana celular exerce um papel central na manutenção do bom funcionamento celular (como de fato ocorre na malária, na anemia falciforme e na esferocitose). Esse também é o caso nos processos de adesão celular (ligação entre células, ou de uma célula a um substrato, tal como matriz celular, etc.).
  • Os modelos desenvolvidos contribuirão não só para o entendimento da mecânica de células vivas, mas também de lipossomas – vesículas sintéticas formadas exclusivamente de fosfolipídios e, portanto, o modelo experimental de membrana plasmática mais adequado para pesquisa básica em biologia e farmacologia. Eles são também utilizados diretamente na área médica como vetor bioquímico para transporte de fármacos em seu interior. Os lipossomas permitem potencializar os efeitos terapêuticos de drogas, pois evitam que o fármaco transportado se perca no trajeto até o alvo específico (órgão, tecido, etc.), além de minimizar efeitos colaterais por evitar ação em alvos indesejados. Também permitirá investigar a estabilidade de configurações estruturais de vesículas de lipoproteína de alta densidade (High-Density-Protein, HDL), popularmente conhecidas como “bom colesterol”. Essas áreas carecem de modelagem computacional, a qual ainda revela-se em estágio inicial de pesquisa do ponto de vista da computação científica (R. C. Van Lehn, M. Ricci, P. H.J. Silva, P. Andreozzi, J.  Reguera, K.  Voïtchovsky, F. Stellacci, A. Alexander-Katz, Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes, Nature Communications 5, 4482, 2014), mas cresce fortemente nos dias de hoje como ferramenta de auxílio para a construção de princípios fundamentais mais quantitativos.