Multiscale computational modeling of single cell migration in 3D

La migración celular es un proceso complejo, orquestado por factores químicos y biológicos, por la microestructura y por las propiedades mecánicas de la matriz extracelular. Este fenómeno es fundamental para el desarrollo de tejidos en los organismos pluricelulares, y como seres humanos, nos acompaña durante toda la vida, desde el mismo momento de la concepción hasta la muerte. Juega un papel fundamental durante el desarrollo embrionario determinando la formación de los diferentes órganos (morfogénesis) y es clave en todos los procesos regenerativos como la renovación de la piel, la respuesta inflamatoria o la cicatrización de heridas. Sin embargo, también contribuye al desarrollo de procesos patológicos como la metástasis, el retraso mental, la osteoporosis o enfermedades vasculares entre otros. Es por ello de vital importancia el conocer los mecanismos fundamentales que controlan la migración celular con el fin de tratar de manera efectiva las diferentes patologías, así como avanzar en el trasplante de órganos y el desarrollo de tejidos artificiales. Así pues, el objetivo de esta Tesis es el desarrollo de modelos a distintas escalas y centrados en diversos aspectos de la migración, de manera que faciliten la compresión de fenómenos específicos y sirvan como guía para el diseño de experimentos. Dada la complejidad y las grandes diferencias respecto a la migración colectiva, todos los modelos y análisis de esta Tesis se centran en células individuales. En primer lugar se ha estudiado la migración tridimensional de una célula individual embebida en una matriz extracelular donde su velocidad y orientación se consideran reguladas por estímulos mecánicos. Para ello se ha desarrollado un modelo mecanosensor basado en elementos finitos y se ha analizado el comportamiento celular en función de diferentes rigideces y condiciones de contorno a escala celular. A medida que el trabajo ha progresado, los resultados del modelo unidos a nuevos avances científicos publicados en este ámbito, han reforzado la idea de que el mecansimo mecanosensor juega un papel crítico en los procesos que dirigen la migración celular. Por ello, se ha necesitado un estudio más profundo de este fenómeno para lo que se ha utilizado un modelo mucho más detallado a escala intracelular. Así pues, se ha explorado la estructura interna del citoesqueleto y su comportamiento ante cambios mecánicos en la matriz extracelular, utilizando un modelo discreto de partículas basado en dinámica Browniana con el que se ha simulado la formación de una red de actina (polimerización) entrecruzada con proteínas y motores moleculares. En concreto, se ha estudiado el comportamiento activo de estos motores y su papel como sensores de estímulos mecánicos externos (mecanosensores) de manera que los resultados obtenidos con este modelo “micro” han permitido validar las hipótesis del modelo previo. Consecuentemente, se ha revisado el modelo mecánico y se le ha añadido dependencia temporal, obteniendo un modelo continuo capaz de predecir respuestas celulares macroscópicas basadas en el comportamiento de los componentes microestructurales. En otras palabras, esta simplificación ha permitido la introducción de la respuesta macroscópica emergente obtenida del comportamiento dinámico de la microestructura, disminuyendo enormemente el coste computacional y por tanto permitiendo simulaciones a mayores escalas espacio-temporales. A continuación se han introducido las nuevas hipótesis en un modelo probabilístico de migración a escala celular basado en elementos finitos que permite al mismo tiempo el estudio de factores tanto a escala macroscópica (velocidades, trayectorias) como a escala celular (orientación, área de adhesión, tensiones celulares, desplazamientos de la matriz etc.). Adicionalmente, este modelo es sensible no sólo a la mecánica sino a las condiciones fluido-químicas del entorno, las cuales han sido analizadas igualmente mediante simulaciones por elementos finitos. Con todo esto, los modelos desarrollados todavía no incluyen una descripción detallada de procesos importantes envueltos en la migración celular como la protrusión de la membrana, la polimerización de actina en el frente celular o la formación de adhesiones focales. Por lo tanto, para completar la Tesis, se ha desarrollado un modelo continuo basado en diferencias finitas que permite el estudio del comportamiento dinámico del lamelipodio y el papel fundamental que juegan la polimerización de actina, los motores moleculares y las adhesiones focales (FAs) en el frente celular durante la migración. Cell migration is a complex process, orchestrated by biological and chemical factors, and by the microstructure and extracellular matrix (ECM) mechanical properties among others. It is essential for tissue development in multicellular organisms, and as human beings, it accompanies us throughout life, from conception to death. It plays a major role during embryonic development, defining organ formation (morphogenesis) and being crucial in all the regenerative processes such as skin renewal, inflammatory response or wound healing. However, it is also involved in several pathological processes e.g. metastasis, mental retardation, osteoporosis or vascular diseases. Therefore, understanding the fundamental mechanisms controling cell migration is vitally important to effectively treat different pathologies and to make progress in organ transplantation and tissue development. Thus, the main scope of this Thesis is the development of mathematical models at different scales and focused on different aspects of cell migration so that specific phenomena can be better understood, serving as a guide for the development of new experiments. All the models and analysis contained in this thesis are focused on single cells, firstly due to the complexity and marked differences with respect to collective cell migration, and secondly owing to the importance of individual migration in important processes such as metastatic tumor cell migration. In addition, since three- dimensional environments are physiologically more relevant, 3D approaches have been considered in most of the models here developed to better mimic in vivo conditions. Firstly, single cell migration of a cell embedded in a three-dimensional matrix was studied, regulating its velocity and polarization through mechanical clues. For this purpose, a finite element (FE) based mechanosensing model was developed, analyzing cell behavior according to different ECM rigidities and boundary conditions at the cell scale. As work advanced, results from the model together with recent findings from literature strengthened the idea that mechanosensing plays a critical role in cell motility driving processes. For this reason, a deeper understanting of this mechanism was needed, resulting in the development of a specific and more detailed model (at the intracellular scale). Hence, the cytoskeletal structure response to mechanical stimuli has been explored using a discrete particle-based Brownian dynamics model. This model was used to simulate the formation of actin networks (through actin polymerization) cross-linked with proteins (ACPs) and molecular motors. Specifically, the active role of molecular motors and their role as mechanosensors were studied, so that the results of the intracellular scale approach allowed the validation of the previous model main assumptions. As a consequence, the mechanical hypothesis were revised and a temporal dependence was incorporated, obtaining a new continuum model able to predict macroscopic cell responses based on microstructural components behavior. In other words, this simplification allowed introducing the emergent macroscopic response obtained from the active behavior of the microstructure, saving large amounts of computational time and permitting simulations at higher time and length scales. Next, the new hypotheses were incorporated into a probabilistic, FE-voxel-based cell-scale migration model, permitting simultaneously the study of macro-scale factors (velocities, trajectories) and cell-scale ones (polarization, adhesion area, cell stress, ECM displacements etc.). Additionally this model includes the effect of fluid-chemical stimuli, which was also analyzed by means of FE-simulations. With all this, the developed models still lacked a detailed description of important processes involved in cell migration such as membrane protrusion, actin polymerization or focal adhesion (FA) formation. As a result, a continuum model was designed to study the lamellipodium dynamics and the major role of actin polymerization and focal adhesions (FA) at the cell front during cell migration

DESARROLLO DE UNA APLICACIÓN WEB DE AYUDA A LA GESTIÓN DE MANTENIMIENTO DE LOS MEDIOS CIS DE UNA COMPAÑIA DE TRANSMISIONES.

Este trabajo propone el desarrollo de una aplicación web para la gestión del mantenimiento de los diferentes equipos con los que cuenta el primer escalón de la Compañía de Transmisiones, y surge por tanto con el objetivo principal de contar con un histórico de mantenimiento que permita una mejor gestión de dichos equipos.De esta forma, la información podrá ser almacenada de manera metódica y permitirá consultar, de la forma más dinámica posible, los detalles (identificador de los equipos,Esta aplicación web servirá pues como interfaz gráfica para gestionar de forma sencilla una base de datos, de todos los equipos con los que cuenta la Compañía así como el personal encargado asignado a cada dispositivo.<br /

Modelo computacional de la migración celular en matrices 3D basado en estímulos químicos y mecánicos

El presente proyecto tiene como objetivo principal, el desarrollo de un modelo computacional 3D de la migración de una célula individual embebida en una matriz de gel. Con ello se pretende contribuir a la comprensión de los procesos subyacentes en este proceso, así como los diferentes estímulos que afectan al proceso general de la migración. Por otra parte se plantea ofrecer una plataforma de simulación de nuevos experimentos que contribuya a la obtención de unos mejores resultados y permita determinar de una forma predictiva cuáles serán las condiciones de ensayo más optimas. Este proyecto se enmarca dentro de un proyecto de investigación sobre el modelado computacional multiescala de la migración celular. En concreto el modelo aquí desarrollado ofrece un enfoque a escala celular, para lo que se lleva a cabo una discretización de la célula mediante vóxels. Esto posibilita el estudio de características referentes a la morfología de la célula como el factor de forma, el área de contacto célula matriz o la distribución de tensiones en la superficie celular. Al mismo tiempo, también permite el estudio de características propias de un modelo de migración a escala macro como son las velocidades o la distancias recorridas por la célula en el proceso migratorio. El proceso de migración celular se determina a través de la aparición/desaparición de los vóxels que constituyen la célula, al actualizarse la forma de la célula en el transcurso del tiempo se computa la migración como el cambio de situación del centroide geométrico del conjunto de elementos que la constituyen. Las funciones que rigen la aparición/desaparición de vóxels recogen los estímulos que condicionan la migración celular en matrices 3D. En este modelo, de los múltiples estímulos que pueden condicionar la migración celular se han tenido en cuenta los factores mecánicos (mechanotaxis), químicos (chemotaxis) y de flujo. La mechanotaxis se implementa mediante un modelo de mechano-sensing basado en un trabajo anterior, según el cual la célula contrae su citoesqueleto y ejerce fuerzas sobre la matriz extracelular (ECM) en función de las propiedades de la misma. Los estímulos químicos y de flujo, se obtienen mediante la simulación de un dispositivo microfluídico utilizando para ello las condiciones de un experimento real. Los resultados obtenidos son postprocesados ofreciéndose diferentes modos de visualización entre los que destacan representaciones animadas de la célula migrando a través de la ECM. Estas animaciones muestran a la vez el estado tensional, así como la morfología de la célula en cada instante

Cellular response due to substrate stiffness variations: a phenomenological model

Este trabajo se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, dentro del área de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Su principal objetivo ha sido el desarrollo y aplicación de un modelo fenomenológico que reproduce el proceso de contracción celular. La migración celular tiene un papel fundamental en muchos procesos fisiológicos necesarios para el correcto funcionamiento del organismo. Alteraciones en su comportamiento pueden dar lugar a diferentes patologías, haciéndose especialmente importante en casos de metástasis celular o reparación de tejidos. Por tanto, se necesita un mejor entendimiento del proceso de migración celular para el desarrollo de nuevas terapias. Este mecanismo se divide en cinco procesos secuenciales, tales como la protrusión de pseudópodos en el frente celular, la creación de adhesiones focales, la proteólisis del substrato, la contracción celular y finalmente el desprendimiento y contracción de la parte trasera de la célula. Además, todo este proceso es regido por factores químicos, topográficos y mecánicos que influyen de manera directa en la respuesta celular. De las cinco fases que comprenden la migración celular y posibles estímulos que puede recibir la célula, el presente trabajo se basa en la contracción celular guiada por las deformaciones del substrato donde se encuentra embebida. Así, el desarrollo de este modelo permitirá incluirlo en un modelo más complejo de célula completa que permita una mejor intelección del proceso en su conjunto. El modelo fenomenológico propuesto, desarrollado mediante el Método de los Elementos Finitos, se basa en dos componentes elásticos situados en paralelo en el que, además, uno de ellos presenta capacidad de contracción dependiendo de las deformaciones a las que se somete la célula. Para la aplicación y validación del modelo se reproduce computacionalmente el experimento llevado a cabo por Mitrossilis et al. [1] en el cual se sitúa una célula entre dos microplatos de rigidez variable, permitiendo estudiar la fuerza generada y el cambio de forma de la misma. Adicionalmente, se aplica el modelo a una reproducción de una célula tumoral obtenida mediante microscopía confocal en el Centro de Investigación Médica Aplicada de la Universidad de Navarra, estudiando la influencia de diferentes propiedades elásticas del substrato en la contracción celular. Los resultados obtenidos muestran cómo la célula responde ante cambios de rigidez en su entorno y la influencia de diversos modelos de comportamiento tanto en el substrato como en la caracterización de la parte pasiva de la célula

Análisis del efecto de la matriz extracelular en la migración 3D de fibroblastos y osteoblastos humanos.

Las células utilizan múltiples modos de migración para desplazarse en matrices tridimensionales (3D), tanto de forma individual como colectiva, rigiéndose por la interacción de las células con el microambiente extracelular y con otras células. Este entorno extracelular es un desafío porque requiere que la célula se filtre a través de estructuras complejas o densas, y para ello se requieren adaptaciones celulares a la matriz extracelular e incluso la remodelación de la misma.Este trabajo se centra en mejorar el entendimiento del papel que tiene la matriz extracelular que rodea a las células en procesos de cicatrización de heridas y regeneración ósea. Para ello se utilizan experimentos in vitro mediante plataformas microfluídicas que permiten el cultivo celular en 3D, las cuales facilitan la observación de la respuesta celular en tiempo real de una forma más fisiológica que con otros métodos más clásicos. En primer lugar, se realizó el estudio del comportamiento migratorio de una monocapa de fibroblastos en presencia de gradientes químicos de unión a la matriz y solubles con el factor de crecimiento derivado de plaquetas BB (PDGF-BB), los cuales también se combinaron con distintas concentraciones de colágeno para analizar el efecto mecánico de la matriz. En segundo lugar, se cuantificó la migración 3D de osteoblastos ante gradientes de PDGF-BB y mediante la utilización de un inhibidor de amplio espectro de las metaloproteasas (marimastat) se reguló la actividad de degradación de la matriz extracelular. También se analizó el efecto de la modificación de la arquitectura de la matriz mediante el entrecruzamiento de las fibras y se estudiaron las propiedades biomecánicas y microestructurales de las distintas matrices extracelulares utilizadas. Finalmente, se analizó la capacidad de los osteoblastos para formar protrusiones en distintas concentraciones de colágeno de la matriz extracelular, en presencia de inhibidores de actina y de metaloproteasas.Los resultados que se muestran indican que la microestructura de los hidrogeles utilizados determina las propiedades migratorias tanto de fibroblastos humanos en respuesta a gradientes quimiotácticos como de osteoblastos, dependiendo de la degradación de la matriz.<br /

App para la carga de trenes militares: lectura automatizada de materiales.

El transporte militar por ferrocarril es una de las ramas más específicas de la especialidad fundamental de Ingenieros, siendo uno de los medios más eficaces para transportar tanto mercancía como personal. Para enfocar este proyecto, se ha centrado en el proceso del transporte ferroviario, el cual engloba numerosos documentos a elaborar previamente por el CCMR (Célula de Control de Movimiento por Ferrocarril), llegando al informe final del tren cargado en cuestión, siendo este el que genera la necesidad de la aplicación desarrollada con este proyecto.Siguiendo esta línea, dentro de este proceso intervienen numerosos actores, entre los cuales cabe destacar el papel que desempeña el Responsable de Operaciones de Carga (ROC), quien ejerce como cargador durante el proceso de embarque de material en el tren. La tarea final que ejecutar por este es identificar (a simple vista), cargar y registrar manualmente todo aquel material que ocupa cada determinada plataforma en la composición del tren. Con el fin de agilizar esta tarea y disminuir en gran medida el error humano, se ha desarrollado durante el periodo de prácticas externas, una aplicación móvil para sistemas operativos Android, la cual se encarga de automatizar este trabajoso proceso mediante la lectura de códigos QR. Además, ha sido probada en un transporte real y ha cumplido satisfactoriamente sus objetivos, encontrándose actualmente en estudio de implantación en el proceso de carga y a la espera de ser homologada por los organismos competentes.<br /

Análisis paramétrico de estructuras augéticas para andamios

Se analiza mediante simulaciones numéricas la utilización de diseños de geometrías augéticas para construir andamios de ingeniería de tejidos. Se estudia la influencia de los parámetros geométricos de estos diseños en el comportamiento mecánico del andamio, y se compara con el comportamiento de la piel recogido en la literatura

A new 3d finite element-based approach for computing cell surface tractions assuming nonlinear conditions

Advances in methods for determining the forces exerted by cells while they migrate are essential for attempting to understand important pathological processes, such as cancer or angiogenesis, among others. Precise data from three-dimensional conditions are both difficult to obtain and manipulate. For this purpose, it is critical to develop workflows in which the experiments are closely linked to the subsequent computational postprocessing. The work presented here starts from a traction force microscopy (TFM) experiment carried out on microfluidic chips, and this experiment is automatically joined to an inverse problem solver that allows us to extract the traction forces exerted by the cell from the displacements of fluorescent beads embedded in the extracellular matrix (ECM). Therefore, both the reconstruction of the cell geometry and the recovery of the ECM displacements are used to generate the inputs for the resolution of the inverse problem. The inverse problem is solved iteratively by using the finite element method under the hypothesis of finite deformations and nonlinear material formulation. Finally, after mathematical postprocessing is performed, the traction forces on the surface of the cell in the undeformed configuration are obtained. Therefore, in this work, we demonstrate the robustness of our computational-based methodology by testing it under different conditions in an extreme theoretical load problem and then by applying it to a real case based on experimental results. In summary, we have developed a new procedure that adds value to existing methodologies for solving inverse problems in 3D, mainly by allowing for large deformations and not being restricted to any particular material formulation. In addition, it automatically bridges the gap between experimental images and mechanical computations

Are the Cells Stronger than we Think?

This work presents a novel methodology to calculate the traction forces exerted by the cell in a three-dimensional (3D) Traction Force Microscopy (TFM) set-up. This methodology starts from the images taken in the TFM essay. In addition, the finite strains hypothesis is assumed in order to capture the cell behaviour.Este trabajo presenta una nueva metodología para calcular las fuerzas de tracción ejercidas por la célula durante un experimento de microscopía de fuerza de tracción. El método presentado parte de las imágenes captadas durante el ensayo experimental. Además, se trabaja bajo la hipótesis de grandes deformaciones para poder modelar de manera más precisa el comportamiento celular

Métodos de seguimiento celular en imágenes de cultivos 3D

La migración celular describe el movimiento propio de las células que les permite desplazarse a través de los tejidos. Este proceso es inherente a todos los organismos multicelulares y a través de él, pueden explicarse múltiples mecanismos fisiológicos como la homeostasis, la respuesta inmunológica, la regeneración de tejido o la metástasis del cáncer entre otros. Hasta hace unos años el análisis de imágenes de microscopio se realizaba de manera manual y suponía un trabajo duro y tedioso, y cuyos resultados estaban sujetos a la interpretación del investigador. En las últimas décadas el análisis de imagen y la cuantificación computacional han permitido agilizar y estandarizar dichos análisis, aumentando pues drásticamente la cantidad y la calidad de la información recolectada. Uno de los pasos esenciales para el análisis del movimiento celular en imágenes de microscopio es la detección y seguimiento de las mismas a lo largo del tiempo. Muchos son los algoritmos que se han desarrollado para realizar el tracking en imágenes con fluorescencia, confocal y cultivos 2D, sin embargo, los cultivos 3D, los cuales son biológicamente más relevantes, siguen siendo una tarea pendiente que requiere de un procesado más complejo. En este proyecto se han implementado algunas propuestas de métodos de seguimiento celular orientadas a imágenes en 2D, pero obtenidas de un cultivo en 3D. Estas imágenes son adquiridas con un microscopio de luz convencional en modo contraste de fases en el que no se utiliza ni fluorescencia ni tinciones, por lo que, debido a dicha tridimensionalidad, se generan halos, desenfoque y otros artefactos que dificultan el análisis. Todos estos algoritmos han sido incluidos en una plataforma de análisis de imagen semiautomática desarrollada en Maltab de la cual, por medio de modelado y análisis estadístico se obtienen los parámetros más representativos del movimiento celular. Este trabajo fin de Máster está enmarcado dentro de una “Proof of Concept” denominada IMAGO, derivada del proyecto Europeo INSILICOCELL. El objetivo último de IMAGO es prestar un servicio online de análisis de imagen biomédica, entre cuyas principales utilidades está la cuantificación del comportamiento celular y la extracción de los principales parámetros de migración, generando un informe para el usuario con los resultados más significativos