Usando células cancerígenas como portas lógicas para determinar o que as faz se mover

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As células cancerígenas migram pelo corpo por vários motivos; alguns estão simplesmente seguindo o fluxo de um fluido, enquanto outros seguem ativamente trilhas químicas específicas. Então, como você determina quais células estão se movendo e por quê? Pesquisadores da Purdue University fizeram engenharia reversa de um sistema de processamento de sinal celular e o usaram como uma porta lógica – um computador simples – para entender melhor o que faz com que células específicas migrem.

Por muitos anos, o professor de engenharia mecânica Bumsoo Han e seu grupo de pesquisa estudaram células cancerígenas. Ele constrói estruturas microfluídicas para simular seu ambiente biológico; ele até usou essas estruturas para construir uma “máquina do tempo” para reverter o crescimento das células cancerosas do pâncreas.

“Em nossos experimentos, observamos e estudamos como essas células cancerígenas migram, porque é um aspecto importante da metástase do câncer”, disse Hye-ran Moon, pesquisador de pós-doutorado da equipe de Han. “Mas isso é diferente. Estamos tentando abordar os mecanismos fundamentais por trás desses comportamentos. E é muito desafiador porque as células são sistemas muito complexos de moléculas e estão expostas a vários sinais que as fazem se mover.”

Uma dessas pistas envolve trilhas químicas, para as quais muitas células são inerentemente atraídas (muito parecido com formigas seguindo uma trilha de cheiro). Outro é o fluxo de fluido; se os fluidos estiverem fluindo em torno das células em uma determinada direção, muitas células simplesmente seguirão o caminho. Então, se uma célula está se movendo, como você pode saber se ela é motivada por substâncias químicas, movimentos de fluidos ou ambos?

A equipe adotou um modelo de porta lógica ternária para analisar essas pistas e prever como as células se moveriam em diferentes ambientes. Sua pesquisa foi publicada em Laboratório em um chipum jornal da Royal Society of Chemistry.

Seus experimentos ocorreram em uma plataforma microfluídica com uma câmara central para as células e duas plataformas laterais. Usando este dispositivo, eles poderiam replicar fluxos fluídicos em uma direção, na direção oposta, ou nenhum fluxo. Eles também poderiam introduzir uma substância química conhecida por causar a migração das células. Novamente, eles tinham a opção de quimiotaxia em uma direção, na direção oposta ou em nenhuma. Essas duas pistas se multiplicariam ou se anulariam?

“Com duas pistas e três opções cada, tínhamos dados observáveis ​​suficientes para construir um modelo de porta lógica ternária”, disse Moon.

As portas lógicas são uma construção da computação, onde os transistores recebem uma entrada 1 ou 0 e retornam uma saída 1 ou 0. As portas lógicas binárias pegam uma combinação de dois 1s e 0s e produzem resultados diferentes com base no tipo de porta. As portas lógicas ternárias fazem a mesma coisa, exceto com três entradas e saídas possíveis: 1, 0 e -1.

Moon atribuiu valores em que direção as células se moviam sob os dois estímulos diferentes. “Se as células se moveram na direção do fluxo, é 1”, disse Moon. “Se eles não têm direcionalidade, é 0. Se eles se movem na direção oposta ao fluxo, é -1.”

Quando as células encontram produtos químicos ou fluxo de fluido individualmente, elas se movem na direção positiva (o “1”). Quando ambos estavam presentes na mesma direção, o efeito era aditivo (ainda “1”). No entanto, quando os dois fluíram em direções opostas, as células se moveram na direção dos produtos químicos (o “-1”), em vez do fluxo do fluido.

Com base nessas observações, Moon extrapolou uma grade 3×3 para simplificar os resultados. As pistas dessas células cancerígenas agora podiam ser diagramadas da mesma forma que um engenheiro elétrico faria o diagrama de um circuito.

Claro, o mundo real nunca é tão simples. “Na verdade, o estímulo químico é um gradiente, não um botão liga/desliga”, disse Moon. “As células só se moverão quando um certo limite de fluxo for introduzido; e se você introduzir muito, a célula entrará em curto-circuito e não se moverá. A precisão com a qual podemos prever esse movimento não é linear relação.”

Moon também enfatizou que esse experimento em particular é muito simples: dois estímulos, em direções estritamente opostas, em uma única dimensão. O próximo passo seria construir um experimento semelhante, mas em um plano bidimensional; e depois outro em um volume tridimensional. E isso é só para começar; depois de adicionar vários estímulos e fatorar o tempo como a 4ª dimensão, os cálculos se tornam incrivelmente complexos. “Agora você entende por que os biólogos precisam usar supercomputadores!” disse Lua.

Este estudo foi em colaboração com o Purdue Institute for Cancer Research; a Escola Weldon de Engenharia Biomédica; o Departamento de Física e Astronomia de Purdue; e Andrew Mugler e Soutick Saha do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Pittsburgh.

“Este é um exemplo perfeito de como os dispositivos microfluídicos podem ser usados ​​na pesquisa do câncer”, disse Moon. “Fazer esse experimento em um ambiente biológico seria extremamente difícil. Mas com esses dispositivos, podemos ir direto para células individuais e estudar seu comportamento em um ambiente controlado.”

“Este modelo pode se aplicar a muito mais do que apenas células cancerígenas físicas”, continuou Moon. “Qualquer célula pode ser afetada por diferentes pistas, e isso fornece uma estrutura para os pesquisadores estudarem essas influências e determinarem por que elas acontecem. Os engenheiros genéticos também adotaram o modelo de porta lógica, tratando os genes como processadores que fornecem resultados diferentes quando você lhes dá certos instruções. Existem muitos ramos que podemos ir com este conceito.”

Com informações de Science Daily.

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