CompuCell3D

CompuCell3D ^{[ 1 ]} (CC3D) es un entorno de software de código abierto para la resolución de problemas , destinado a la construcción de modelos multiescala basados ​​en agentes de dos y tres dimensiones de biología multicelular, incluyendo morfogénesis , homeostasis , enfermedad, terapia e ingeniería de tejidos. CompuCell3D fue diseñado para hacer accesible el desarrollo, la ejecución y el análisis de modelos biológicos complejos a personas no expertas. CompuCell3D está escrito en C++ y Python . CC3D admite diversas clases de objetos y metodologías de modelado, incluyendo el modelo de Potts celular (CPM) o el modelo de Glazier-Graner-Hogeweg (GGH) (desarrollado originalmente por James A. Glazier , François Graner y Paulien Hogeweg ) de la reorganización dinámica de células generalizadas (grupos de células, volúmenes de matriz extracelular (ECM), células y sus subregiones), que pueden modelar la agrupación celular, el crecimiento, la división, la muerte, la adhesión y las restricciones de volumen y superficie; así como solucionadores de ecuaciones diferenciales parciales para modelar la ecuación de difusión y la reacción-difusión de campos químicos, y redes bioquímicas de transporte, señalización, regulación y metabolismo resueltas con ecuaciones de velocidad de cinética química o enfoques de redes booleanas estocásticas . Al integrar estos submodelos, CompuCell3D permite modelar reacciones celulares a campos químicos externos, como la secreción o la reabsorción , y respuestas como la quimiotaxis y la haptotaxis , la diferenciación en respuesta a señales externas, la polarización y la motilidad celular y otros mecanismos biológicos básicos. {{Infobox connector

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Los orígenes de CompuCell3D se encuentran en un sistema de software anterior, CompuCell, desarrollado a finales de la década de 1990 en la Universidad de Notre Dame y luego conjuntamente con la Universidad de Indiana, Bloomington . ^{[ 2 ]} Esta versión fue una reimplementación y extensión del código CPM bidimensional basado en Fortran escrito originalmente por James A. Glazier durante su tiempo en la Universidad de Tohoku en Japón en colaboración con François Graner. La implementación inicial de Notre Dame fue una colaboración entre Glazier, Jesús Izaguirre, Rajiv Chaturvedi, Chengbang Huang, Trevor Cickovski, Gilberto L. Thomas, Gabor Forgacs , Mark Alber, George Hentschel y Stuart Newman . ^{[ 3 ]} CompuCell introdujo el uso de XML para la especificación de modelos, lo que permitió a los modeladores definir y explorar modelos basados ​​en celdas sin escribir código de bajo nivel ni realizar recompilación, lo que redujo la barrera de entrada para los no programadores. Los tres componentes principales de CompuCell eran el modelo CPM/GGH, que describe el comportamiento de las células y la matriz extracelular (ECM), un módulo de reacción-difusión (RD), que describe los morfógenos difusibles, y un modelo combinado de ecuaciones diferenciales ordinarias (ODE) y estados de las redes reguladoras genéticas y la diferenciación.

Reconociendo la necesidad de mayor flexibilidad y potencia científica, el equipo pronto extendió CompuCell para permitir simulaciones tridimensionales, lo que dio como resultado la primera versión de CompuCell3D, ^{[ 4 ]} alrededor de 2002–2003. Pocos años después, en el Instituto de Biocomplejidad de la Universidad de Indiana, se implementó una extensión importante liderada por el Dr. Maciej Swat en CompuCell3D. ^{[ 5 ]} Entre los principales colaboradores de la versión extendida de CompuCell3D se encontraban el Dr. Ariel Balter, Benjamin Zaitlen, Randy Heiland y el Dr. TJ Sego. ^{[ 6 ]} Esta versión extendida de CompuCell3D conservó XML para la configuración declarativa del modelo y añadió soporte para scripts de Python, lo que facilitó el desarrollo y el intercambio de simulaciones biológicas complejas y multiescala. La nueva arquitectura permitió la integración tanto del modelado declarativo de alto nivel como de la lógica procedimental de bajo nivel en un único marco de modelado. La versión ampliada de CompuCell3D incluía un sistema de complementos, una interfaz gráfica de usuario (Twedit++) e integración con SBML y MaBoSS para el modelado de redes intracelulares. CompuCell3D ha recibido el apoyo de varias iniciativas financiadas por los NIH y la NSF, como el proyecto Open Source Tools for Virtual Tissues (OpenVT).

En 2023, el enfoque de desarrollo de CompuCell3D cambió hacia la mejora de la flexibilidad y la interoperabilidad. CC3D se convirtió en un paquete Conda . Este cambio permitió llamar a la simulación CC3D como objetos en scripts para el escaneo de parámetros de masa en clústeres, para ejecutarla en cuadernos Jupyter , implementarla en línea e integrar CC3D con otros marcos de software. ^{[ 7 ] [ 8 ]} CompuCell3D se mantiene como un proyecto de código abierto bajo la Licencia Pública General GNU y continúa siendo utilizado globalmente por investigadores en biología de sistemas , biofísica computacional e ingeniería biomédica.

Los usuarios pueden definir rápidamente simulaciones de alta complejidad utilizando el lenguaje de marcado XML de CompuCell3D, CC3DML y scripts de Python denominados steppables. CompuCell3D proporciona clases y funciones de Python de alto nivel basadas en procesos biológicos comunes para simplificar el desarrollo de especificaciones de modelos modulares, reutilizables y compactas. Los usuarios también pueden escribir steppables en C++ para mejorar la velocidad de ejecución.

CompuCell3D incluye un editor de modelos con interfaz gráfica de usuario, Twedit++, que proporciona un asistente de especificación de modelos para la definición rápida de arquitecturas de modelos, así como editores personalizados para CC3DML, Python y C++ que contienen plantillas de fragmentos de código para las funciones más utilizadas.

CompuCell3D permite explorar y probar modelos biológicos mediante un paquete flexible y extensible con múltiples niveles de control. El control avanzado se logra a través de CompuCell Player, una interfaz gráfica de usuario interactiva para escritorio basada en hilos Qt que se ejecutan en paralelo con el backend computacional. Player ofrece funciones como reproducir y pausar simulaciones, modificar parámetros durante la ejecución (control) y crear sobre la marcha ventanas de renderizado bidimensionales y tridimensionales que muestran configuraciones celulares y campos químicos. Los usuarios pueden ampliar, rotar y cambiar el color y las secciones transversales de las imágenes renderizadas, definir exportaciones de vídeo, guardar capturas de pantalla y rotaciones de las imágenes renderizadas de la geometría de la simulación, configurar colores y visualizar secciones transversales. A continuación se muestra una captura de pantalla de ejemplo.

CompuCell3D también se puede ejecutar en modo por lotes en clústeres y como una biblioteca de Python invocable en Jupyter Notebook , Colab u otros entornos de Python.

Es posible ampliar el backend mediante extensiones de C++ en forma de módulos y complementos. El backend utiliza patrones de diseño orientados a objetos que contribuyen a la extensibilidad, reduciendo el acoplamiento entre módulos que operan de forma independiente. La funcionalidad opcional se puede encapsular mediante complementos, que se cargan dinámicamente en tiempo de ejecución a través de una referencia a un archivo de configuración XML.

Como biblioteca de Python, CompuCell3D puede llamar y ser llamada por otras herramientas y marcos de modelado.

CompuCell3D se utiliza ampliamente en una amplia gama de campos de investigación biológica y biomédica, incluyendo biología del desarrollo, toxicidad del desarrollo, biología del cáncer, toxicología, inmunología e ingeniería de tejidos. Sus aplicaciones incluyen el modelado del crecimiento y metástasis tumoral, angiogénesis y vasculogénesis, toxicidad hepática ^{[ 9 ]} y metabolismo, ^{[ 10 ]} dinámica de células inmunitarias y procesos de desarrollo como la morfogénesis de extremidades y la formación de patrones tisulares, abarcando mecanismos y fenómenos como la somitogénesis, ^{[ 11 ]} gastrulación, neurulación, morfogénesis ramificada (por ejemplo, pulmón, riñón, glándulas salivales), condrogénesis, clasificación celular, formación de redes vasculares, diferenciación de células madre, migración celular colectiva, establecimiento de gradientes de morfógenos y procesos de regeneración. CompuCell3D integra simulaciones multicelulares con señalización intracelular, interacciones biomecánicas y modelos de reacción-difusión, lo que permite a los investigadores explorar fenómenos biológicos complejos en múltiples escalas. La flexibilidad del software y la programación basada en Python facilitan la integración con datos experimentales, lo que permite comprender mejor los mecanismos de las enfermedades, incluyendo la predicción de resultados adversos y aplicaciones en la ciencia del riesgo para evaluar la progresión de la enfermedad, la dosimetría de fármacos y las respuestas terapéuticas. ^{[ 12 ]}

Para consultar una lista de más de 150 publicaciones que utilizaron CompuCell3D, visite la página de publicaciones de CompuCell3D .

CompuCell3D ofrece soporte, material educativo y formación online supervisada para facilitar su uso al público general. Los tutoriales ayudan a los nuevos usuarios a configurar CC3D y familiarizarse con los conceptos básicos. Los manuales contienen información precisa y detallada sobre todas las herramientas disponibles de CC3D. Las demostraciones de simulación son una introducción rápida a la creación de modelos. Los talleres anuales abarcan las funcionalidades básicas y avanzadas de CC3D, los conceptos de creación de modelos y el soporte individual. Los vídeos de talleres anteriores están disponibles en YouTube . Para preguntas específicas o solución de problemas, el equipo de CompuCell3D también ofrece soporte a través de su subreddit . Estos materiales están disponibles gratuitamente y se utilizan ampliamente en programas académicos, promoviendo la adopción de enfoques de modelado computacional en biología y medicina.

• Lista de software de modelado de biología de sistemas