يمكن مقارنة جسم الإنسان بأمان مع آلية معقدة للغاية ومربكة في بعض الأحيان ، والتي لم تكن مصحوبة بتعليمات ، وبالتالي ، يتعين على العلماء أنفسهم فهم كل شيء. يحتوي جسمنا على العديد من الأنظمة ، من الجهاز العصبي إلى الجهاز المناعي ، حيث يؤدي كل منها وظائفه الخاصة ويرتبط بأنظمة أخرى ، مما يسمح للجسم بالعمل بكفاءة. في مجتمع الأبحاث ، تقع حصة الأسد من الاهتمام على الجهاز العصبي. يتم جذب الجميع للكشف عن أسرار دماغنا ، والتي غالبا ما تقارن بالغموض إلى الكون. لكن الأنظمة الأخرى ليست أقل إثارة للاهتمام ومعقدة وهامة. اليوم سننظر في دراسة تجمع بين الرياضيات والكيمياء الحيوية والكثير من الفضول. والهدف من هذه الدراسة هو البشرة ، أي بشرة الإنسان. كيف ساعدت الرياضيات العلماء على فهم ما يفتقرون إليه في عملية نمو الجلد وما الذي حصلوا عليه نتيجة لذلك؟ سنحاول الإجابة على هذه الأسئلة وغيرها بمساعدة تقرير المجموعة البحثية. دعنا نذهب.
عمر درعبشرة الإنسان ليست بسيطة كما قد تبدو للوهلة الأولى. يمكن لأي شخص أن يعتبرها مجرد قذيفة ، وشخص ما لديه "حقيبة العظام". لكننا نترك جانبا تصريحات أكثر روبوت غير أخلاقي في العالم اسمه بندر ويتعمق في بنية جلد الإنسان.
أولاً ، الجلد هو أكبر عضو في جسم الإنسان (لن نؤثر على الكائنات الأخرى ، بالنظر إلى الدراسة قيد النظر) ، ويتألف من ثلاثة أنظمة فرعية رئيسية هي: البشرة (الطبقة الخارجية) والأدمة (الأنسجة الضامة بين الطبقة العليا من الجلد والأعضاء) والدهون تحت الجلد الألياف (التنظيم الحراري وطبقة واقية مع وظيفة "تخزين" المواد الغذائية).
هيكل الجلد البشري.بما أنه في الدراسة "يستحضر" العلماء البشرة ، فسننظر في هذه الطبقة بمزيد من التفصيل.
البشرة البشرية ، إذا كنت تحب علم التشريح والطبخ ، تشبه كعكة نابليون ، لأنها تتكون من خمس طبقات. في كل من الطبقات ، هناك خلايا تمثل "الموضوعات" الرئيسية في الدراسة التي نفكر فيها - الخلايا الكيراتينية. في البشرة ، يشغلون عادة حصة الأسد - حوالي 90 ٪ من جميع الخلايا.
وظائف الخلايا الكيراتينية تختلف تبعا للانتماء إلى طبقة معينة:
- القاعدية - الطبقة الأقرب إلى الأدمة ، والتي تسمى فيها الخلايا مثل الخلايا الكيراتينية القاعدية ، وهي منطقية تمامًا. وتشارك هذه الخلايا ، بالاشتراك مع الخلايا الجذعية ، في عملية هامة - تجديد البشرة. أيضا في السيتوبلازم للخلايا الكيراتينية هناك الميلانوزومات - حبيبات الميلانين التي تم الحصول عليها من الخلايا الصباغية (الخلايا) التي تحمينا من الأشعة فوق البنفسجية.
- حصلت الطبقة الشائكّة على اسمها الشائك بسبب البنية غير المعتادة لخلايا الكيراتينية التي لها عمليات شبيهة بالارتفاع للتواصل مع بعضها البعض. في السيتوبلازم من الخلايا القرنية المحلية ، يتم تصنيع الكيراتين ، والتي تشارك في تشكيل الشعر والأظافر. من وجهة نظر بيولوجية ، الكيراتين هو أدنى في القوة البدنية فقط للالكيتين. بالإضافة إلى ذلك ، هناك الكيراتينوما التي تجعل بشرتنا مسعور.
- الطبقة الحبيبية - تحتوي الخلايا الكيراتينية أيضًا على القرنية ، أي أنها تمنع الجفاف من الجلد. أيضا ، الخلايا الكيراتينية في هذه الطبقة توليف بعض البروتينات.
- تتم تسمية الطبقة اللامعة على هذا النحو ، لأن الفحص المجهري لا يكشف عن الخلايا ، ويبدو أن الطبقة نفسها تشبه شريطًا موحدًا من اللون الوردي. لذلك - يتم تدمير النوى والعضيات والمركبات الخلوية للخلايا الكيراتينية في هذه الطبقة. في هذه الحالة ، هناك مادة تربط الخلايا الكيراتينية (أو ما تبقى منها). يجعل شركة الجلد.
- قرنية - الطبقة الخارجية للبشرة على اتصال مع البيئة. ويمكن أن يطلق عليه مقبرة خلية حقيقية ، لأنها تتشكل من الخلايا الكيراتينية الميتة (تسمى المقاييس القرنية) ، والتي يتم تحديثها باستمرار. وهذا يوفر حماية فعالة ضد العوامل الخارجية.
خلية كيراتينيةتجدر الإشارة أيضًا إلى حقيقة أن الخلايا الكيراتينية متورطة في التئام الجروح. في حالة تلف الجلد ، تبدأ خلايا الكيراتين في الانقسام والانتقال إلى منطقة الإصابة حيث تحدث الظهارة ، أي يبدأ الجرح في النمو.
كما يمكننا أن نفهم من هذه الطبقات ، هناك الكثير من الخلايا الكيراتينية وتؤدي وظائف مختلفة عندما تعمل مع خلايا من نوع مختلف. جنود عالميون بين خلايا البشرة ، لا شيء غير ذلك.
ما هي مشكلة البحث ، تسأل؟ لكن حقيقة أن الطبقة الطبيعية للبشرة البشرية يبلغ سمكها حوالي 100 ميكرون ، ولكن الطبقة الاصطناعية (التي تم إنشاؤها بواسطة الخلايا الكيراتينية المارة) هي 10 ميكرون فقط.
الخلايا المارة * - اختيار العدد المطلوب من الخلايا لمزيد من النمو على الركيزة (على سبيل المثال ، في طبق بتري).
مثل هذا البشرة سيكون ببساطة غير فعال ، مثل دبابة الورق الورقية. وهنا يمكن أن تساعد الرياضيات ، وهي نموذج رياضي. سنتحدث عن ذلك أكثر.
أساس الدراسةاستخدم العلماء نماذج رياضية كأساس لعملية إنشاء البشرة البشرية. في نفس الدراسة ، تم تطوير تقنية جديدة للتوازن المعوي للبشرة ، والتي تعتمد على النموذج الرياضي للخلايا الكيراتينية التي تم الحصول عليها من الخلايا الجذعية الموزعة في الطبقة القاعدية. تجدر الإشارة إلى أن النموذج أخذ أيضًا في الحسبان العمليات الديناميكية في البشرة (الهجرة وتمايز خلايا الجلد) والعمليات داخل الخلايا المرتبطة بـ Ca
2+ .
جعل هذا النموذج الرياضي من الممكن أن نفهم أن توزيع الخلايا الجذعية وبنية أغشية القبو التي تفصل النسيج الضام عن الظهارة تلعب دوراً حاسماً في تخليق البشرة بالسمك والبنية المطلوبة.
إذا تحدثنا بشكل أكثر تحديداً عن مؤشر مثل السُمك ، فعندئذ فإن أغشية القبو هي التي تلعب الدور الرئيسي. لتحقيق النتيجة المرجوة ، طبق العلماء تعديل الجيبية لتشكيل الغشاء القاعدي ، وتغيير السعة وطول الموجة. ونتيجة لذلك ، تبيَّن أن الأغشية القاعدية المتموجة ذات السعة الكبيرة وطول الموجة القصيرة مطلوبة من أجل التركيب المستقر للبشرة بالسمك المطلوب. أي أن تموج الطبقة الحليمية الموجودة فوق الأدمة وتحت البشرة أمر بالغ الأهمية لإنشاء نموذج للبشرة قريب من العوامل الفسيولوجية الحقيقية.
بالإضافة إلى السماكة والقوة ، يوجد لدى جلد الإنسان أيضًا رهاب ماء ، والذي يعتمد على سمك الطبقة القرنية. تبعا لذلك ، ينبغي أيضا أن تؤخذ سماكة هذه الطبقة في الاعتبار في النموذج التجريبي لاستجمام أكثر واقعية للبشرة.
بدمج كل ما هو مطلوب وضروري ، صمم العلماء النموذج لإظهار إمكانية خلق بشرة قريبة من الواقع ، بما في ذلك الطبقة القرنية وهيكل الدهون الصفحي بين الخلايا. كل هذا تم تحقيقه من خلال بذر الخلايا الكيراتينية الخاملة على السطح المتموج لقاعدة البوليستر في أطباق بتري المفتوحة.
كانت النتائج ناجحة للغاية ، والتي أكدت ليس فقط فائدة وصحة هذه الطريقة في النمو ، ولكن أيضًا أهمية استخدام النماذج الرياضية كأدوات للتنبؤ بالعمليات.
نتائج البحوث
الصورة رقم 1توضح الصور أعلاه نتائج المحاكاة ونتائج نمو البشرة بناءً على هذه المحاكاة.
لفت الباحثون انتباهنا إلى صورتين كاشفتين للغاية (
1A و
1 B ). في الحالة الأولى ، يوجد غشاء قاعدي مسطح ، في الحالة الثانية - غشاء جيبية ، مما يسمح بزيادة سمك وقوة البشرة.
ولكن هذا ليس سوى نموذج ، وإن كان له نتائج مغرية للغاية ، فمن الضروري تحديد المعلمات التي يجب أن يكون لها أساس للبذر (البوليستر). لهذا ، تم تحليل بنية الطبقة الحليمية ، التي يبلغ سمكها 51 ميكرون في الشخص والفاصل الزمني "المتموج" هو 105 ميكرون (تم تحليل الجلد على تجويف البطن ، وكان متوسط عمر المشاركين في الدراسة 36.3 سنة).
تُظهر الصورة
1C الصور (تم الحصول على اللون بسبب الهيماتوكسيلين والأيوزين) للبشرة التي تم الحصول عليها بأشكال مختلفة من القاعدة (# 200 و # 255 و # 300 و # 350 و # 460 و # 480). في أعلى الصورة ("
التحكم ") ، تعمل البشرة بدون قاعدة متموجة كمجموعة تحكم لمقارنة النتائج.
الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة للعلماء كانت الخيارات رقم 200 ، ورقم 255 ورقم 300 ، والتي أظهرت سمكًا جيدًا مقارنة بعينة التحكم. كانت الطبقة الحية للبشرة المبنية على # 255 أكثر سماكة من الطبقة # 200 و 300. لذلك ، كان هذا الخيار الذي تم اختياره لمزيد من الدراسة.
استنتاج موجز هو أن الأساس الذي يشبه الموجة للبذر يؤدي إلى زيادة في عدد الخلايا الحية للبشرة وإلى تكثيفها وضغطها ، مما يجعل العينة المزروعة أقرب إلى البشرة من حيث القيمة الحقيقية.
الصورة رقم 2تلعب البروتينات الإنشائية filaggrin و loricrin و claudine 1 و ZO-1 أحد الأدوار الرئيسية في البشرة. من أجل التحقق مما إذا كان تعبير (تخليق) هذه البروتينات يسير بشكل طبيعي ، أجرى العلماء دراسة كيميائية مناعية للبشرة المزروعة على أساس رقم 255.
تم التعبير عن Filaggrin (
2A ) ، loricrin (
2B ) و ZO-1 (
2C ) في الطبقة العليا من البشرة. وتعبير كلودين 1 كان في غشاء الخلية على طول الطائرة بأكملها للبشرة (
2D ).
انتبه لصورة 2G ، التي يمثل فيها السهم الأسود وعلامة "*" طبقة معينة - قرنية. هذا يشير إلى أن هذه البشرة المركبة لديها خصائص واقية (من العوامل الخارجية).
أجريت دراسة كيميائية مناعية أيضًا على البشرة بناءً على # 300 للمقارنة مع البشرة رقم 255. تم الكشف عن تعبير claudine 1 و ZO-1 في كلا الخيارين ، ولكن في # 255 كان أقوى بكثير. تأكيدًا لذلك ، تم إجراء اختبار آخر - لقياس فقدان الماء عبر الجلد لعنصر التحكم وعينة # 255. يوضح الرسم البياني لنتائج هذا الاختبار (
2H ) بوضوح أن فقدان الماء للعينة # 255 أقل بكثير ، مما يؤكد مرة أخرى خصائصه عالية الحاجز (والحماية).
الصورة رقم 3أظهر تلطيخ العينة بالأجسام المضادة المضادة للبروموديوكسيرين (المضاد لـ BrdU) أن الخلايا المتكاثرة موجودة فقط في الجزء السفلي من عينة التحكم (
3A ) ، بينما في عينة الاختبار # 255 ، تم العثور على نفس الخلايا على ألياف قاعدة البوليستر (
3B ، السهام السوداء).
اختبر الباحثون أيضًا البروتين CSPG4 ، الذي يلعب دورًا مهمًا للغاية في تفاعل الخلية والركيزة. أظهر التحليل وجود هذه الخلايا على الألياف القاعدية (
3D ، السهام البيضاء) ، مما يدل على وجود الخلايا على الألياف ، وبعضها له خصائص منتشرة.
بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء اختبار باستخدام أجسام مضادة لـ Bromodeoxyuridine و K14 ، وهو علامة على الطبقة القاعدية للبشرة. أظهرت العينة # 255 نتيجة فريدة من نوعها - وجود K14 و BrdU على سطح قاعدة البوليستر. هذا يشير إلى أن الخلايا المتكاثرة تتعرف على سطح القاعدة كطبقة قاعدية.
وكان الاختبار التالي هو بروتين YAP ، الذي يشارك في تنظيم النسخ (تخليق الحمض النووي الريبي في الخلايا من خلال الحمض النووي). في عينة التحكم ، كانت YAP موجودة حصريًا على الطبقة القاعدية (
3E ). ولكن في عينة الاختبار ، كانت YAP موجودة حول الألياف (
3F ، السهام الحمراء).
أدى استخدام الرناوات الصغيرة المتداخلة في تحليل نشاط بروتين YAP إلى زعزعة استقرار الهيكل الثلاثي الأبعاد (
3G و
3 H ).
في عينة التحكم باستخدام RNAs المسببة للتداخل الصغيرة ، تم التعبير عن بروتين YAP حول الألياف (
3I ) ، وفي عينة الاختبار ، كان التعبير ضئيلًا (
3J ). ولكن ، على الرغم من هذا ، فإن استخدام الرناوات الصغيرة المسببة للتداخل لم يؤثر على تكاثر الخلايا الكيراتينية.
للتعرف بشكل أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة وتفاصيلها ، أوصي بشدة أن تنظر في
تقرير المجموعة البحثية والمواد الإضافية إليها.
خاتمةجمعت هذه الدراسة بين الكيمياء الحيوية والرياضيات. بطبيعة الحال ، فإن هذين العلوم يسيران في غالب الأحيان إذا كان العلماء يعتزمون الحصول على نتائج موثوقة وكافية. ساعد استخدام النمذجة الرياضية في هذه الحالة على فهم أهمية الأساس المشابه للموجة في نمو البشرة ، مما يزيد بشكل كبير من عدد الخلايا الحية ، ونتيجة لذلك ، سمك وقوة العينة.
هذا العمل ، بدرجة أكبر ، كان يهدف إلى اختبار قابلية التشغيل للنموذج الرياضي فقط ، وليس تقنية نمو البشرة نفسها. إن الصعوبات التي واجهها الباحثون سابقًا لن تمنعهم من مواصلة الدراسة بتفصيل أكبر لطرق توليف الخلايا وتنمية البشرة في شكل أقرب ما يكون إلى الواقع.
قد تصبح نتائج هذا العمل خطوة مهمة إلى الأمام بالنسبة لكل من زراعة الأعضاء ودراسات الجلد البشري ككل ، وكذلك تشجيع الباحثين الآخرين على استخدام النمذجة الرياضية بشكل أكثر فعالية كأداة ذات أولوية.
شكرًا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل رائعًا يا شباب.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الربيع مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلبها
هنا .
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن
كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟