Skin math: crecimiento de epidermis basado en modelos matemáticos

El cuerpo humano se puede comparar de forma segura con un mecanismo muy complejo y a veces confuso, que no fue acompañado de instrucciones, por lo tanto, los propios científicos tienen que entender todo. Nuestro cuerpo tiene muchos sistemas, desde nervioso hasta inmune, cada uno de los cuales realiza sus funciones específicas y se une a otros sistemas, lo que permite que el cuerpo funcione de manera eficiente. En la comunidad de investigación, la mayor parte de la atención recae en el sistema nervioso. Todos se sienten atraídos por revelar los secretos de nuestro cerebro, que a menudo se compara con el misterio del Universo. Pero otros sistemas no son menos interesantes, complejos e importantes. Hoy consideraremos un estudio que combina matemáticas, bioquímica y mucha curiosidad. Y el objetivo de este estudio es la epidermis, es decir, la piel humana. ¿Cómo ayudaron las matemáticas a los científicos a comprender lo que les faltaba en el proceso de crecimiento de la piel y qué obtuvieron como resultado? Intentaremos responder estas y otras preguntas con la ayuda del informe del grupo de investigación. Vamos

Armadura de por vida

La piel humana no es tan simple como podría parecer a primera vista. Alguien puede considerarlo solo un caparazón, y alguien hace una "bolsa de huesos". Pero dejamos de lado las declaraciones del robot más inmoral del mundo llamado Bender y profundizamos en la estructura de la piel humana.

En primer lugar, la piel es el órgano más grande del cuerpo humano (dado que el estudio en cuestión no afectará a otras criaturas), que consta de tres subsistemas principales: la epidermis (capa externa), la dermis (tejido conectivo entre la capa superior de la piel y los órganos) y la grasa subcutánea fibra (capa termorreguladora y protectora con la función de "almacenamiento" de nutrientes).


La estructura de la piel humana.

Dado que en el estudio, los científicos "evocan" la epidermis, consideraremos esta capa con más detalle.

La epidermis humana, si amas igualmente la anatomía y la cocina, se asemeja a un pastel de Napoleón, ya que consta de cinco capas. En cada una de las capas hay células que son los principales "sujetos" en el estudio que estamos considerando: los queratinocitos. En la epidermis, generalmente ocupan la mayor parte: alrededor del 90% de todas las células.



Las funciones de los queratinocitos varían según la pertenencia a una capa particular:

• basal : la capa más cercana a la dermis, en la que las células como los queratinocitos se llaman basales, lo cual es bastante lógico. Estas células, junto con las células madre, están involucradas en un proceso importante: la regeneración epidérmica. También en el citoplasma de los queratinocitos hay melanosomas: gránulos de melanina obtenidos de melanocitos (células) que nos protegen de la radiación ultravioleta.
• la capa puntiaguda obtuvo su nombre espinoso debido a la estructura inusual de las células de queratinocitos que tienen procesos en forma de espiga para conectarse entre sí. En el citoplasma de los queratinocitos locales, se sintetiza la queratina, que participa en la formación de cabello y uñas. Desde un punto de vista biológico, la queratina es inferior en fuerza física solo a la quitina. Además de esto, hay queratinosomas que hacen que nuestra piel sea hidrófoba.
• capa granular : los queratinocitos también tienen queratinosomas, es decir, evitan la deshidratación de la piel. Además, los queratinocitos en esta capa sintetizan algunas proteínas.
• la capa brillante se llama así, porque la microscopía no revela células, y la capa en sí misma parece una franja uniforme de color rosa. Así es: los núcleos, orgánulos y compuestos intercelulares de los queratinocitos en esta capa se destruyen. En este caso, hay una sustancia que se une a los queratinocitos (o lo que queda de ellos). Hace la piel firme.
• córneo : la capa externa de la epidermis en contacto con el medio ambiente. Y se le puede llamar cementerio celular real, porque está formado por queratinocitos muertos (llamados escamas córneas), que se actualizan constantemente. Esto proporciona protección efectiva contra factores externos.

Células de queratinocitos

También vale la pena mencionar el hecho de que los queratinocitos están involucrados en la curación de heridas. Si la piel está dañada, las células de queratinocitos comienzan a dividirse activamente y migran al área de la lesión donde se produce la epitelización, es decir, la herida comienza a crecer demasiado.

Como podemos entender de estas capas, hay muchos queratinocitos y realizan diferentes funciones cuando trabajan junto con células de un tipo diferente. Soldados universales entre las células de la epidermis, nada más.

¿Cuál es el problema de la investigación, preguntas? Pero el hecho de que la capa normal de la epidermis humana tiene un grosor de aproximadamente 100 micras, pero la capa artificial (creada al pasar los queratinocitos) es de solo 10 micras.

Passaging cells * : selección del número requerido de células para su posterior crecimiento en un sustrato (por ejemplo, en una placa de Petri).

Tal epidermis simplemente sería ineficaz, como un tanque de papel maché. Y aquí las matemáticas pueden ayudar, es decir, un modelo matemático. Hablaremos más al respecto.

Base de estudio

Los científicos han utilizado modelos matemáticos como base para el proceso de creación de la epidermis humana. En el mismo estudio, se desarrolló una nueva técnica para la homeostasis epidérmica, que se basa exactamente en el modelo matemático de los queratinocitos obtenidos de las células madre distribuidas en la capa basal. Vale la pena señalar que el modelo también tuvo en cuenta los procesos dinámicos en la epidermis (migración y diferenciación de las células de la piel) y los procesos intracelulares asociados con el Ca ²⁺ .

Este modelo matemático permitió comprender que la distribución de las células madre y la estructura de las membranas basales que separan el tejido conectivo del epitelio juegan un papel crucial en la síntesis de la epidermis del grosor y la estructura requeridos.

Si hablamos más específicamente sobre un indicador como el grosor, entonces son las membranas basales las que juegan el papel principal. Para lograr el resultado deseado, los científicos aplicaron modulación sinusoidal para formar la membrana basal, cambiando la amplitud y la longitud de onda. Como resultado, se encontró que para la estructura estable de la epidermis del grosor requerido, se requieren membranas basales onduladas con una gran amplitud y una longitud de onda corta. Es decir, la ondulación de la capa papilar ubicada sobre la dermis y debajo de la epidermis es crítica para crear un modelo de la epidermis que esté cerca de los parámetros fisiológicos reales.

Además del grosor y la resistencia, la piel humana también tiene hidrofobicidad, que depende del grosor del estrato córneo. En consecuencia, el grosor de esta capa también debe tenerse en cuenta en el modelo experimental para una recreación más realista de la epidermis.

Combinando todo lo deseado y necesario, los científicos diseñaron el modelo para demostrar la posibilidad de crear una epidermis más cercana a la realidad, incluido el estrato córneo y la estructura lipídica laminar intercelular. Todo esto se realizó sembrando queratinocitos pasivados en la superficie ondulada de la base de poliéster en placas de Petri abiertas.

Los resultados fueron muy exitosos, lo que confirmó no solo la utilidad y la corrección de este método de crecimiento, sino también la importancia de utilizar modelos matemáticos como herramientas para predecir procesos.

Resultados de la investigación


Imagen No. 1

Las imágenes de arriba muestran los resultados de la simulación y los resultados del crecimiento epidérmico basados ​​en esta simulación.

Los investigadores llaman nuestra atención sobre dos imágenes muy reveladoras ( 1A y 1B ). En el primer caso, hay una membrana basal plana, en el segundo, una membrana sinusoidal, que permitió aumentar el grosor y la resistencia de la epidermis.

Pero este es solo un modelo, aunque con resultados muy tentadores, para lo cual es necesario establecer qué parámetros debe tener la base para la siembra (poliéster). Para esto, se analizó la estructura de la capa papilar, cuyo grosor es de 51 μm en una persona y el intervalo de "ondulación" es de 105 μm (se analizó la piel de la cavidad abdominal, la edad promedio de los participantes del estudio fue de 36.3 años).

La imagen 1C muestra las imágenes (el color se obtuvo debido a la hematoxilina y la eosina) de la epidermis obtenida con diferentes tipos de bases (# 200, # 255, # 300, # 350, # 460 y # 480). En la parte superior de la imagen (" Control "), la epidermis sin una base ondulada actúa como un grupo de control para comparar los resultados.

Lo más interesante para los científicos fueron las opciones # 200, # 255 y # 300, que mostraron un buen grosor en comparación con la muestra de control. La capa viva de la epidermis basada en # 255 era más gruesa que en base a # 200 y # 300. Por lo tanto, fue esta opción la que se eligió para su posterior estudio.

Una breve conclusión es que la base ondulatoria para la siembra conduce a un aumento en el número de células vivas de la epidermis y a su engrosamiento y compactación, lo que acerca la muestra cultivada a la epidermis en términos reales.


Imagen No. 2

Las proteínas estructurales filagrina, loricrina, claudina 1 y ZO-1 desempeñan uno de los papeles clave en la epidermis. Con el fin de verificar si la expresión (síntesis) de estas proteínas se realizó normalmente, los científicos realizaron un estudio inmunohistoquímico de la epidermis cultivada sobre la base de # 255.

Filaggrina ( 2A ), loricrina ( 2B ) y ZO-1 ( 2C ) se expresaron en la capa superior de la epidermis. Y la expresión de claudina 1 estaba en la membrana celular a lo largo de todo el plano de la epidermis ( 2D ).

Presta atención a la imagen 2G, en la que una flecha negra y la marca "*" marcan una determinada capa, córnea. Esto sugiere que esta epidermis sintetizada tiene buenas características protectoras (de factores externos).

También se realizó un estudio inmunohistoquímico con la epidermis basada en # 300 para comparar con la epidermis # 255. La expresión de claudina 1 y ZO-1 se detectó en ambas variantes, pero en el # 255 fue significativamente más fuerte. En confirmación de esto, se realizó otra prueba: medir la pérdida de agua transepidérmica del control y las muestras # 255. El gráfico de los resultados de esta prueba ( 2H ) demuestra claramente que la pérdida de agua de la muestra # 255 es mucho menor, lo que confirma una vez más sus características de alta barrera (y protección).


Imagen No. 3

La tinción de la muestra con anticuerpos anti-bromodeoxiuridina (anti-BrdU) mostró que las células proliferantes están presentes solo en la parte inferior de la muestra de control ( 3A ), mientras que en la muestra de prueba # 255 se encontraron las mismas células en las fibras de la base de poliéster ( 3B , flechas negras).

Los investigadores también probaron la proteína CSPG4, que juega un papel muy importante en la interacción de la célula y el sustrato. El análisis mostró la presencia de estas células en las fibras base ( 3D , flechas blancas), lo que indica la presencia de células en las fibras, algunas de las cuales tienen propiedades de proliferación.

Además, las pruebas se realizaron con anticuerpos anti-bromodeoxiuridina y K14, que es un marcador de la capa basal epidérmica. La muestra # 255 mostró un resultado único: la presencia de K14 y BrdU en la superficie de la base de poliéster. Esto sugiere que las células en proliferación reconocen la superficie de la base como una capa basal.

La siguiente prueba fue la proteína YAP, que participa en la regulación de la transcripción (síntesis de ARN en las células a través del ADN). En la muestra de control, YAP se localizó exclusivamente en la capa basal ( 3E ). Pero en la muestra de prueba, YAP estaba presente alrededor de las fibras ( 3F , flechas rojas).

El uso de pequeños ARN interferentes en el análisis de la actividad de la proteína YAP condujo a la desestabilización de la estructura tridimensional ( 3G y 3H ).

En la muestra de control que usa pequeños ARN interferentes, la proteína YAP se expresó alrededor de las fibras ( 3I ), y en la muestra de prueba, la expresión fue insignificante ( 3J ). Pero, a pesar de esto, el uso de pequeños ARN interferentes no afectó la proliferación de los queratinocitos.

Para un conocimiento más detallado de los matices y detalles del estudio, le recomiendo que consulte el informe del grupo de investigación y los materiales adicionales .

Epílogo

Este estudio combinó bioquímica y matemáticas. Por supuesto, estas dos ciencias a menudo van en parejas si los científicos tienen la intención de obtener resultados confiables y adecuados. El uso de modelos matemáticos en este caso ayudó a comprender la importancia de la base ondulatoria para el crecimiento de la epidermis, lo que aumenta significativamente el número de células vivas y, como consecuencia, el grosor y la resistencia de la muestra.

Este trabajo, en mayor medida, tenía como objetivo probar la operabilidad del modelo matemático y no la técnica de crecimiento de la epidermis en sí. Las dificultades que los investigadores han encontrado anteriormente ya no les impedirán continuar estudiando con más detalle los métodos para sintetizar células y hacer crecer la epidermis en una forma lo más cercana posible a la real.

Los resultados de este trabajo bien pueden convertirse en un paso importante tanto para la trasplante como para los estudios de la piel humana en su conjunto, así como para alentar a otros investigadores a utilizar más activamente el modelado matemático como una herramienta de importancia prioritaria.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una excelente semana laboral, muchachos.

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