Validation of a mathematical model for the estimate of intracellular calcium ion fluctuations / Validazione di un modello matematico per la stima delle fluttuazioni intracellulari dello ione calcio

Calcium ion (Ca2+) acts as a vital second messenger within living cells and the experimental measurement of its concentration is critical in Biology. During muscular contraction, nerve impulse transmission and many other physiological events, Ca2+ forms micro- and nano-domains within the cell cytoplasm which can be described solving reaction-diffusion equations between Ca2+ and its buffers interacting with cell boundaries. Innovative surface and volume subdivision algorithms based on unstructured three-dimensional mesh generation can be applied to locally increase or decrease the accuracy of the differential equation solution. This thesis work has developed and validated a simple and computationally inexpensive diffusion algorithm to simulate diffusion in an arbitrary volume subdivided into tetrahedral voxels. The algorithm was implemented into the user-friendly software SimulCell from Bortolozzi lab and utilized to simulate the real calcium concentration in cell micro- and nano-domains. / Lo ione calcio (Ca2+) svolge una funzione di secondo messaggero nelle cellule, e la misura sperimentale della sua concentrazione è estremamente importante in biologia. Durante la contrazione muscolare, la trasmissione degli impulsi nervosi e molti altri eventi fisiologici, il Ca2+ forma all’interno del citoplasma cellulare dei micro- e nano-domini, che possono essere descritti tramite la risoluzione di equazioni di reazione-diffusione tra il Ca2+ e i suoi buffer, mentre interagiscono con le superfici della cellula. Innovativi algoritmi di suddivisione delle superfici e dei volumi basati sulla generazione di mesh non strutturate tridimensionali possono essere applicati per aumentare o diminuire localmente l’accuratezza della soluzione delle equazioni differenziali. Questo lavoro di tesi ha sviluppato e validato un semplice e computazionalmente economico algoritmo di diffusione che permette di simulare la diffusione all’interno di un volume arbitrario suddiviso in voxel tetraedrici. L’algoritmo è stato inserito in SimulCell, un software user-friendly del laboratorio del professor Bortolozzi, ed utilizzato per simulare la concentrazione di calcio reale all’interno di micro- e nano-domini cellulari.