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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-7766-5719
Tipo de documento: Tese
Tipo de acceso: Acesso Aberto
Título: Modelagem computacional de cultura de células tumorais em dispositivos de microfluídica utilizando o método dos elementos finitos
Título (s) alternativo (s): Modelagem computacional de cultura de células tumorais em dispositivos de microfluídica utilizando o método dos elementos finitos
Autor: Bonifácio, Elton Diêgo
Primer orientador: Araújo, Cleudmar Amaral de
Primer coorientador: Torres, Libardo Andrés González
Primer miembro de la banca: Guimarães, Gilmar
Segundo miembro de la banca: Fiocchi, Arthur Alves
Tercer miembro de la banca: Sousa, Edson Antonio Capello
Cuarto miembro de la banca: Huebner, Rudolf
Resumen: Apesar dos avanços das ciências biomédicas, o câncer continua sendo uma das principais causas de morte no mundo. Interações complexas entre as células tumorais e seu microambiente contribuem para o início e progressão do tumor além do desenvolvimento de células resistentes a drogas. O microambiente tumoral (MT) é altamente complexo, consistindo de uma variação espaço-temporal de moléculas que influenciam diversos processos celulares. Modelar as condições do MT in vitro com essa complexidade é um desafio. Modelos animais e modelos tradicionais in vitro são limitados em sua capacidade de reproduzir estruturas e funções humanas, dificultando estratégias terapêuticas apropriadas. Avanços na tecnologia de microfluídica têm oferecido oportunidades de mimetizar um MT fisiologicamente relevante observado em tumores in vivo. A aplicação de modelos de microfluídica do câncer têm o potencial de superar algumas limitações dos modelos tradicionais. A possibilidade de modelar computacionalmente microchips destinados à análises biológicas representa um avanço no estudo do comportamento celular. Na atualidade não existe um modelo focado no estudo de tumores em dispositivos microfluídicos que contempla o comportamento das células em função da disponibilidade de glicose, O2 e pH do MT. Diante disso, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de modelos matemáticos computacionais que simulam aspectos do comportamento de células tumorais, como proliferação e morte, em um dispositivo de microfluídica, em função das condições do MT utilizando o método dos elementos finitos. Para isso, foram implementados modelos para avaliar o padrão espaço-temporal de nutrientes em um microchip em função de alguns parâmetros físicos e propriedades de materiais dos hidrogéis que usualmente variam em experimentos. Em seguida, foi desenvolvido um modelo matemático que inclui a influência da glicose, O2, dimensões do microchip e produção de resíduos metabólicos no comportamento das células tumorais. Foram avaliados diferentes estudos de casos considerando a variação da densidade inicial de células, regime de renovação do meio de cultura e variação da geometria do chip. Os resultados mostraram uma boa concordância com observações experimentais reportadas na literatura que apresentam a formação do núcleo necrótico decorrente da escassez de nutrientes e acidez do MT sobretudo para condições de elevada densidade inicial de células. Os modelos propostos permitem avaliar como se dá a distribuição de glicose, O2 e íons de H+ no interior de um dispositivo de microfluídica e como influenciam no comportamento da proliferação e morte celular. Portanto, esses modelos são ferramentas que podem auxiliar no planejamento experimental envolvendo sistemas de microfluídica, uma vez que possibilitam analisar uma ampla variedade de experimentos biológicos sem as dificuldades de tempo e consumo de reagentes inerentes às investigações experimentais.
Abstract: Despite advances in biomedical sciences, cancer remains one of the leading causes of death in the world. Complex interactions between tumor cells and their microenvironment contribute to tumor initiation and progression in addition to the development of drug-resistant tumor cells. The tumor microenvironment (TM) is heterogeneous and highly complex consisting of a spatial-temporal variation of nutrients, mechanical signals, among others, which influence several cellular processes such as proliferation, differentiation and migration. Modeling TM conditions in vitro with this complexity is technically a challenge. Traditional animal cancer models and in vitro cancer models are limited in their ability to recapitulate human structures and functions, thus hindering appropriate therapeutic strategies. In this context, recent advances in microfluidic technology have offered opportunities to mimetize a physiologically relevant TM found by tumor cells in vivo. The development and application of microfluidic cancer models have the potential to overcome some of the limitations inherent to traditional models. Moreover, the possibility of computationally modeling microchips intended for biological analysis represents an advance in the study of cellular behavior. Currently, there is no model focused on the study of tumor cell cultures in microfluidic devices that contemplates the behavior of cells due to the availability of glucose, oxygen and pH of TM. Therefore, the main objective of this work is the development of computational mathematical models that simulate aspects of tumor cell behavior, such as proliferation and death, inside a microfluidic device, depending on the conditions of TM using the finite element method. For this, models were implemented to evaluate the space-time pattern of nutrients inside a microchip as a function of some physical parameters and material properties that usually vary in experiments. Then, a mathematical model was developed that includes the influence of glucose, oxygen, microchip dimensions and production of metabolic residues on tumor cell behavior. Different case studies were evaluated considering the variation of the initial density of cells, regime of renewal of the culture medium, variation of chip geometry, among others. The results showed a good agreement with experimental observations reported in the literature that present the formation of the necrotic nucleus due to nutrient scarcity and TM acidity, especially for conditions of high initial cell density. The models proposed in this work allow us to evaluate how the distribution of glucose, oxygen and H+ ions occurs inside a microfluidic device and how these influence the behavior of cell proliferation and death. Therefore, these models are tools that can help in experimental planning involving microfluidic systems, since they allow analyzing a wide variety of biological experiments without the difficulties of time and consumption of reagents inherent to experimental investigations.
Palabras clave: Dispositivos de Microfluídica
Microfluidic Devices
Células Tumorais
Tumor Cells
Elementos finitos
Finite Element Method
Bioengenharia
Bioengineering
Hidrogel
Hydrogel
Gradiente de concentração de nutrientes
Nutrient gradient concentration
Área (s) del CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Tema: Engenharia mecânica
Idioma: por
País: Brasil
Editora: Universidade Federal de Uberlândia
Programa: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Cita: BONIFÁCIO, Elton Diêgo. Modelagem computacional de cultura de células tumorais em dispositivos de microfluídica utilizando o método dos elementos finitos. 2023. 162 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.104.
Identificador del documento: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.104
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37899
Fecha de defensa: 28-feb-2023
Aparece en las colecciones:TESE - Engenharia Mecânica

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