Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke ont développé une méthode pour identifier et caractériser les espaces vides entre les particules dans toute structure emballée. En cartographiant ces espaces vides, les chercheurs peuvent mieux comprendre comment les cellules et d’autres phénomènes réagissent à leur environnement.
La recherche a été publié Le 21 novembre dans le journal Science informatique de la nature.
C’est un jeu de société courant : des bonbons, des bonbons au maïs, des boules de gomme ou d’autres petits objets sont emballés dans un récipient, les gens devinent combien d’objets il y a dans le pot, et celui qui aura la meilleure estimation remportera un prix. Bien qu’il existe de nombreuses méthodes pour compter les objets afin d’obtenir l’estimation la plus précise, Tatiana Segura, professeur de génie biomédical à l’Université Duke, Lindsay Riley, chercheuse postdoctorale au laboratoire Segura, et Peter Cheng, fondateur de Ninjabyte Computing, ont conçu une nouvelle méthode. approche qui a renversé le jeu.
« Nous ne voulions pas compter les objets. Au lieu de cela, nous nous intéressions au nombre de poches ouvertes d’espace vide entre les objets », a expliqué Riley. « Pour de nombreux systèmes, comprendre que l’espace vide, ou ce que nous appelons l’espace vide, est en réalité plus important que les objets eux-mêmes. »
Le laboratoire Segura développe des hydrogels, appelés gels de particules recuites de microparticules (MAP), composés de microparticules qui peuvent être injectées dans les plaies pour créer un échafaudage favorisant la cicatrisation des plaies. Une fois ces particules emballées dans la plaie ou dans une boîte de culture, elles laissent des espaces ouverts entre les particules dans lesquels les cellules peuvent se développer. Parce que les cellules réagissent à la microarchitecture de leur environnement, l’équipe souhaitait un outil qui leur permettrait de mieux comprendre la géométrie des espaces vides où ces cellules se développaient, que ce soit dans une plaie en voie de guérison ou dans une boîte de Pétri.
Crédit : Université Duke
« Pour mieux comprendre ce qui détermine le comportement cellulaire dans les gels MAP, nous devions trouver un moyen de séparer avec précision l’espace vide interconnecté de nos échafaudages en poches que nous pourrions étudier individuellement », a déclaré Segura.
En utilisant des techniques issues de domaines mathématiques tels que la théorie des graphes et la géométrie computationnelle, l’équipe a développé LOVAMAP, abrégé ou analyse des vides locaux utilisant la configuration de l’axe médial par particule. LOVAMAP identifie chaque poche ouverte distincte (ou pore 3D) entre les particules, et leur approche se concentre sur la précision en utilisant les informations intégrées dans la configuration des particules elle-même. Ces pores incluent tout espace continu dans lequel un objet peut se déplacer, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de l’échafaudage.
« Maintenant que nous pouvons identifier avec précision les pores 3D dans les particules emballées, nous pouvons commencer à comprendre ce qui détermine leur forme et leur connectivité et quelles formes de pores 3D sont responsables des différents comportements cellulaires », a déclaré Segura.
« Nous pouvons le faire pour n’importe quel type de particules emballées, ce qui nous permet d’étudier comment différentes formes de particules conduisent à différentes structures de pores 3D. Par exemple, nous pouvons voir que les bâtonnets emballés conduisent à des pores 3D plus allongés, les sphères emballées créent les plus ouvertes. » «
Au-delà de l’extension du logiciel pour mieux comprendre les modèles entre les types de particules et l’espace vide, comme la connectivité entre les pores 3D, Segura et son laboratoire utiliseront LOVAMAP pour faire progresser leurs recherches sur la cicatrisation des plaies en comparant la manière dont le comportement cellulaire est influencé par les différents pores 3D. cartographiés par leur logiciel. Selon Segura, ces connaissances les aideront à optimiser leur matériel pour favoriser une meilleure cicatrisation des plaies cutanées et cérébrales.
Bien que Segura et Riley n’aient pas l’intention d’utiliser LOVAMAP pour gagner des jeux de société, ils seraient quand même heureux d’utiliser le logiciel pour étudier le système.
« Si vous pouvez me dire le diamètre moyen des boules de gomme et à quel point les boules de gomme sont serrées, je peux vous dire – avec une confiance raisonnable – combien de pores 3D il y a dans le pot », a déclaré Riley. « Et je peux aussi vous donner la taille moyenne des pores. »
Plus d’information:
Lindsay Riley et al, Identification et analyse des pores 3D dans les matériaux particulaires emballés, Science informatique de la nature (2023). DOI : 10.1038/s43588-023-00551-x