Sanz Herrera, José Antonio2025-06-182025-06-182025-03-21Apolinar Fernández, A. (2025). Advanced nonlinear inverse formulations in 3D Traction Force Microscopy: Novel computational Implementations for traction Reconstruction in in vitro Problems. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla.https://hdl.handle.net/11441/174504Esta tesis doctoral ofrece una profunda investigación de los aspectos computacionales de la técnica 3D Traction Force Microscopy (3D TFM), centrándose en áreas concretas de estudio que no han sido exploradas por otros autores. La TFM es una técnica experimental-computacional que permite la reconstrucción de las tracciones que ejercen las células en la matriz extracelular (ECM). Esta metodología es fundamental en mecanobiología, disciplina paralela a la medicina que estudia la relación existente entre las interacciones mecánicas celulares y el desarrollo de multitud de procesos patológicos. La adecuada aplicación de la 3D TFM resulta de gran interés, pues una caracterización precisa de las fuerzas celulares, así como la posterior interpretación de sus efectos conllevan importantes implicaciones en el entendimiento de la salud humana. Este trabajo ahonda en temas importantes de la TFM, que se condensan en el cumplimiento de los siguientes objetivos: (i) estudiar los aspectos de importancia en los experimentos de 3D TFM in vitro con respecto a su influencia en los resultados de reconstrucción; (ii) desarrollar metodologías inversas novedosas para la reconstrucción de tracciones en 3D TFM no lineal, en lo que respecta tanto a aspectos teóricos como computacionales; y (iii) diseñar marcos computacionales para 3D TFM que contemplen adecuadamente el comportamiento mecánico, de naturaleza fibrada, heterogénea y evolutiva, de la ECM. Con respecto al primero, se abordan las respectivas cuestiones de forma holística y con mayor detalle que en las investigaciones encontradas en la literatura. Éstas incluyen: la morfología celular; las no linealidades de origen material y geométrico; el ruido en los datos de entrada (desplazamientos medidos); la magnitud de las fuerzas celulares; los criterios de selección de esquemas de reconstrucción adecuados; y el coste computacional de los algoritmos involucrados. En cumplimiento del segundo objetivo, se estudia el rol que tienen las restricciones y la regularización en las estrategias inversas no lineales empleadas para la reconstrucción de tracciones, así como el diseño de métodos novedosos basados en combinaciones de ambos aspectos, elaborados en el contexto de una implementación computacional original combinada Newton-Raphson/Método de los Elementos Finitos (NR/FEM). El esquema numérico NR/FEM distingue los métodos expuestos de otras implementaciones encontradas en la literatura, las cuales emplean algoritmos de resolución externos iterativos que no requieren la definición de la matriz jacobiana del sistema. En cuanto al tercer objetivo, es ampliamente conocido que las células tumorales son capaces de secretar diversos compuestos proteolíticos que alteran la disposición y la integridad estructural de la red de fibras de colágeno que compone la ECM. Sin embargo, la mayoría de los estudios de TFM asumen que el comportamiento mecánico de la matriz es homogéneo y no evolutivo. Este trabajo describe el desarrollo de marcos computacionales destinados a facilitar la recuperación de tracciones en situaciones en las que la heterogeneidad y la evolución de las propiedades mecánicas de la matriz desempeñan un papel relevante. Las aportaciones de los diferentes estudios recogidos en este trabajo son de gran interés en el campo de la 3D TFM, en la medida en que son innovadoras y aportan avances significativos respecto a los paradigmas computacionales más comúnmente empleados en estas aplicaciones. Además, proporcionan nuevas perspectivas acerca de los temas previamente investigados en otras publicaciones. Las conclusiones de la tesis se clasifican en dos grupos, formulados en función de estas aportaciones: análisis multi-perspectiva de sensibilidad de los aspectos de relevancia en el diseño y ejecución de experimentos in vitro de 3D TFM, asociado principalmente a los objetivos (i) y (ii); y métodos originales de reconstrucción en 3D TFM no lineal, asociado principalmente a los objetivos (ii) y (iii).application/pdf249 p.engAttribution 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccess