Come scorrono gli elettroni e le cellule del sangue

I professori Mathieu Luisier dell'ETH del Istituto per i sistemi integrati e Joost VandeVondele, responsabile del dipartimento Gruppo Simulazioni su scala nanometrica dell'ETH di Zurigo hanno combinato due programmi software con i rispettivi team e hanno anche sviluppato un nuovo algoritmo con cui è possibile utilizzare in modo ottimale sistemi informatici ibridi composti da CPU convenzionali e unità di elaborazione grafica (GPU). Ciò ha permesso di ridurre di cinquanta volte il tempo necessario per simulare i nanocomponenti e di aumentarne le dimensioni fino a 50.000 atomi. Il numero di atomi corrisponde alle dimensioni reali di un nanodispositivo. "Finora, i modelli ad alta intensità di calcolo consentivano in genere solo la simulazione di sistemi costituiti da un massimo di 1.000 atomi", sottolinea Luisier.

Per simulare il comportamento dei nanodispositivi, è necessario tenere conto degli effetti quantistici che si verificano nelle minuscole strutture. Chi siamo ha lavorato per oltre dieci anni a un programma software chiamato OMEN. Il ricercatore ha ora collaborato con VandeVondele, che ha co-sviluppato e ulteriormente sviluppato il cosiddetto codice CP2K. Il codice è specializzato nella determinazione della distribuzione degli elettroni "ab initio", ossia sulla base di leggi fisiche senza l'inclusione di dati empirici, utilizzando le cosiddette funzioni d'onda in un sistema autonomo. Uno di questi sistemi è costituito dalle molecole che compongono un nanotransistor. Tuttavia, se al transistor viene applicata una tensione, gli elettroni lo attraversano. Per simulare il loro trasporto, OMEN calcola il loro flusso e l'interazione tra gli elettroni che attraversano il transistor. Sia i calcoli ab-initio delle proprietà cristalline con CP2K che il trasporto di elettroni con OMEN sono estremamente complessi.

Ottimizzando i codici software per i sistemi ibridi sul computer Piz Daint e sviluppando un nuovo algoritmo, il cosiddetto split solver, i dottorandi Sascha Brück e Mauro Calderara sono riusciti a ridurre enormemente il tempo di calcolo e a calcolare strutture con oltre 50.000 atomi. Lo split solver consente il calcolo in parallelo su CPU e GPU.

"Con l'aiuto di Titan abbiamo ridefinito i confini nel campo delle simulazioni di trasporto quantistico", afferma Luisier. "Le simulazioni sono così realistiche da essere direttamente utili per la ricerca sperimentale sui nanodispositivi".

Laboratorio in silico su chip

Il secondo gruppo di ricerca dell'ETH nominato per il Premio Gordon Bell è guidato dal professore Petros Koumoutsakos del Centro di ricerca e sviluppo tecnologico (SC15). Laboratorio di scienza e ingegneria computazionale (CSElab). In collaborazione con ricercatori dell'Università della Svizzera italiana, degli Stati Uniti (Brown University, NVIDIA) e dell'Italia (CNR e Università di Roma), il team è riuscito a simulare il flusso micrometrico di globuli rossi e cellule tumorali sul titanio utilizzando una disposizione geometrica. Secondo i ricercatori, lo studio ridefinisce i limiti delle simulazioni di flusso attraverso strutture su scala micrometrica, mentre i dettagli geometrici e il numero di cellule sono stati migliorati di due ordini di grandezza..

Gli informatici sono stati così in grado di ricreare gli esperimenti di laboratorio (lab-on-a-chip) di altri ricercatori che stanno studiando come filtrare le cellule tumorali dal sangue Chi siamo.

Come nell'esperimento, la simulazione mostra il sangue incanalato attraverso un sistema di colonne disposte in file con una sezione trasversale e una dimensione specifiche. I globuli rossi, che hanno una dimensione di circa otto micrometri, si muovono senza problemi attraverso queste disposizioni grazie alla loro struttura e alla geometria delle colonne. Tuttavia, le cellule tumorali, che sono circa tre volte più grandi, si scontrano ripetutamente con le colonne, facendole ruotare e uscire gradualmente dalla disposizione. Ciò consente di separarle dal flusso sanguigno e di identificarle.

La ricerca di una cellula tumorale nel sangue è come cercare un ago in un pagliaio, dice Koumoutsakos: "C'è una cellula tumorale ogni miliardo di globuli rossi. Tuttavia, le cellule tumorali nel sangue sono responsabili del 90% degli otto milioni di vittime del cancro che ogni anno muoiono per metastasi. Una persona ha tra i quattro e i sei miliardi di globuli rossi per millilitro di sangue. Questi dispositivi di separazione potrebbero quindi essere utilizzati per la diagnosi e, un giorno, forse anche per eliminare le cellule tumorali dal sangue.

L'"In-Silico Lab-on-a-Chip", come Koumoutsakos chiama la simulazione, simula e supporta gli esperimenti di laboratorio. Il professore dell'ETH è convinto che tali simulazioni numeriche possano supportare l'industria farmaceutica.

Cancro in primo piano

Koumoutsakos e il suo team hanno studiato per oltre dieci anni i processi che giocano un ruolo nella crescita dei tumori. Dopo aver simulato per la prima volta l'angiogenesi, cioè il modo in cui le cellule tumorali stimolano la crescita dei vasi sanguigni e quindi permettono il trasporto di queste cellule nel flusso sanguigno, il suo obiettivo successivo è stato quello di simulare il flusso sanguigno nei capillari del sistema ematico. Voleva visualizzare il modo in cui le cellule interagiscono al loro interno. "Il problema, tuttavia, è che i vasi sanguigni prodotti dal tumore sono così intrecciati che non esiste una buona descrizione di essi. Per questo motivo non siamo in grado di ricostruirli nelle simulazioni", spiega Koumoutsakos.

Dopo aver visto gli esperimenti reali sulla separazione delle cellule tumorali, Chi siamo ha avuto l'idea di utilizzare questo metodo per studiare il comportamento delle cellule nel sangue. George Karniadakis della Brown University aveva la necessaria esperienza nella simulazione della cosiddetta dinamica dissipativa delle particelle, con la quale il flusso sanguigno viene simulato come una sorta di collezione di particelle individuali. Diego Rossinelli del CSElab e altri membri del team hanno combinato gli approcci in un modello e ottimizzato i codici prima che la simulazione su Titano avesse successo.