Modeling and simulation of multi-cellular systems using hybrid FEM/Agent-based approaches

Muchas de las propiedades biomecánicas de los organismos multicelulares surgen directamente de las interacciones entre células. Las células de los órganos y tejidos interactúan entre sí y con su entorno de diferentes formas. Debido a este hecho, es fundamental analizar cómo estas interacciones se traducen como propiedades mecánicas a nivel del tejido. Por ejemplo, las adhesiones entre células determinan la rigidez aparente de una capa epitelial. Las interacciones célula-matriz pueden además determinar la formación de muchas estructuras biológicas y su morfología. Estos sistemas multicelulares no se pueden considerar como estructuras estáticas ya que sufren constantes cambios causados por la proliferación, la reorganización o la migración celular. Por lo tanto, es necesario estudiar la dinámica de la célula y las interacciones individuales para comprender plenamente cómo funcionan los fenómenos a escalas superiores, desde el desarrollo de tejidos hasta el crecimiento de tumores.Recientemente, el uso de enfoques basados en agentes se ha vuelto muy popular para modelar sistemas multicelulares. Los modelos basados en agentes representan células como entidades individuales. Estos modelos son especialmente adecuados para estudiar fenómenos biofísicos que ocurren a nivel celular. Aquí las interacciones célula-célula se pueden simular directamente de forma mecanicista. Además, estos modelos capturan realmente bien las heterogeneidades presentes en las estructuras biológicas. Por otra parte, los modelos continuos se utilizan comúnmente en problemas de escalas mayores. A diferencia de los modelos basados en agentes, en estos no representan células como entidades individuales, sino que se definen leyes constitutivas para modelar procesos biológicos, físicos y químicos. Por lo tanto, las propiedades celulares se promedian usando parámetros macroscópicos, y estos modelos a menudo trabajan con la densidad celular en lugar de entidades celulares separadas. En cualquier caso, los modelos continuos presentan una buena escalabilidad y una excelente representación de fenómenos físicos particulares como el transporte masivo y las transmisiones de fuerza en medios continuos.En esta tesis, se exploran las posibilidades que los enfoques híbridos pueden ofrecer para desarrollar nuevos modelos de sistemas multicelulares. Se presentan dos modelos híbridos diferentes que combinan un modelo basado en agentes y un modelo continuo. Ambos enfoques tienen en común que el modelo continuo se resuelve utilizando el método de los elementos finitos. También se muestra, siguiendo este patrón de diseño, cómo resolver varias de las limitaciones intrínsecas de cada tipo individual de modelo.En primer lugar, se presenta un modelo híbrido para simular la mecánica epitelial monocapa. Este modelo se centra en el modelado de las interacciones mecánicas célula-célula y célula-sustrato, pero también en la topología y morfología de los tejidos. Con este enfoque se reproducen tejidos epiteliales proliferativos, movimientos celular colectivo y procesos de migración. El segundo modelo presentado en esta tesis se ha diseñado para simular agregados celulares en entornos tridimensionales. Se estudian las interacciones mecánicas entre células, pero este modelo se centra especialmente en analizar cómo afecta el transporte de oxígeno a las células en un proceso de agrupamiento en 3D.Finalmente, se comparan los resultados de ambos modelos con datos experimentales de otros autores y se discuten los beneficios de combinar diferentes tipos de modelos. Se demuestra que los enfoques híbridos que se proponen en este trabajo son capaces de simular una amplia variedad de sistemas multicelulares. De hecho, son particularmente útiles para estudiar cómo algunos fenómenos emergen de las interacciones celulares individuales a escalas biológicas más grandes.