Model digital avansat pentru studierea bioelectricității în celulele canceroase

Un grup de cercetători condus de Christian Baumgartner de la Institute of Health Care Engineering al Universității de Tehnologie din Graz (TU Graz) a dezvoltat un model digital extrem de detaliat al celulei canceroase A549 (linie celulară de adenocarcinom pulmonar). Acest proiect, denumit DigLungCancer, reprezintă un pas major spre tratamente oncologice personalizate și aduce în prim-plan modul în care procesele bioelectrice și dinamica calciului intracelular pot fi exploatate pentru a opri creșterea celulelor tumorale.

Context

Celulele canceroase, deși nu sunt excitabile în sens neurofiziologic, prezintă totuși activitate electrică determinată de fluxurile ionice și potențialele de membrană. În mod particular, calciul intracelular are un rol esențial: în concentrații fiziologice este vital pentru supraviețuirea și proliferarea celulară, dar în exces declanșează mecanisme de moarte celulară. Studiile anterioare au demonstrat implicarea canalelor de calciu și a rețelelor de semnalizare intracelulară în reglarea ciclului celular, făcând din aceste procese o țintă atractivă pentru terapiile oncologice. În 2021, echipa TU Graz a realizat primul model digital al curenților ionici din celulele A549, iar noua versiune extinde semnificativ această abordare.

Despre studiul actual

Modelul digital creat în cadrul DigLungCancer constă în sute de ecuații matematice care descriu:

• Distribuția intracelulară a calciului, incluzând microdomeniile în care se acumulează ionii de calciu;

• Rolul canalelor CRAC (calcium release-activated calcium), care reglează intrarea calciului în celule și activează căi de semnalizare intracelulară ce influențează ciclul celular;

• Capacitatea de stocare și tamponare a calciului, precum și mecanismele de transport intracelular;

• Efectele răspândirii locale a calciului asupra proceselor bioelectrice.

Simulările permit testarea pe computer a efectelor pe care le pot avea diverse medicamente asupra distribuției calciului sau a funcției canalelor ionice. Spre deosebire de experimentele de laborator, acest lucru se poate realiza rapid și cu un grad ridicat de precizie.

Rezultate

Modelul digital oferă cea mai detaliată reprezentare funcțională a bioelectricității celulelor canceroase realizată până acum. Printre principalele constatări:

• Inhibarea anumitor canale CRAC modifică dinamica calciului intracelular și influențează activitatea altor căi de semnalizare, ceea ce poate:

  • întrerupe ciclul celular,

  • sau declanșa mecanisme de moarte celulară programată.

• Modelul a demonstrat că este posibil să se testeze în mod virtual combinații complexe de modificări ale canalelor ionice – lucru extrem de dificil de reprodus în laborator.

• Noua simulare oferă informații precise despre interacțiunile dintre calciul localizat în microdomenii și rețelele celulare apropiate de membrană, aspect esențial în activarea sau blocarea proceselor de proliferare tumorală.

Perspective viitoare

Deocamdată, modelul descrie o singură celulă. Următoarele etape vizează:

• simularea comunicării între celule și a modului în care acestea interacționează în cadrul unui țesut tumoral;

• studierea proceselor de metastazare și vascularizare tumorală;

• adaptarea modelului la alte tipuri de cancer, precum cel mamar și cel prostatic;

• personalizarea simulărilor pe baza datelor pacientului, ceea ce ar putea permite dezvoltarea de strategii terapeutice individualizate.

Concluzie

Prin introducerea simulării microdomeniilor de calciu și a canalelor CRAC, cercetătorii de la TU Graz au reușit să reproducă cu precizie fără precedent procesele bioelectrice din celulele canceroase. Această abordare nu doar că deschide noi direcții de cercetare fundamentală, dar oferă și o platformă de testare virtuală pentru dezvoltarea de medicamente oncologice, accelerând tranziția către tratamentul personalizat al cancerului.