Hautmathematik: Epidermis wächst basierend auf mathematischen Modellen

Der menschliche Körper kann sicher mit einem sehr komplexen und manchmal verwirrenden Mechanismus verglichen werden, der nicht von Anweisungen begleitet wurde. Daher müssen die Wissenschaftler selbst alles verstehen. Unser Körper hat viele Systeme, von nervös bis immun, von denen jedes seine spezifischen Funktionen erfüllt und an andere Systeme bindet, wodurch der Körper effizient funktionieren kann. In der Forschungsgemeinschaft fällt der Löwenanteil der Aufmerksamkeit auf das Nervensystem. Jeder ist angezogen, um die Geheimnisse unseres Gehirns zu enthüllen, die so oft durch Mysterien mit dem Universum verglichen werden. Andere Systeme sind jedoch nicht weniger interessant, komplex und wichtig. Heute werden wir eine Studie betrachten, die Mathematik, Biochemie und viel Neugier kombiniert. Und das Ziel dieser Studie ist die Epidermis, dh die menschliche Haut. Wie hat die Mathematik den Wissenschaftlern geholfen zu verstehen, was ihnen beim Wachstum der Haut fehlte und was sie dadurch erhalten haben? Wir werden versuchen, diese und andere Fragen mit Hilfe des Berichts der Forschungsgruppe zu beantworten. Lass uns gehen.

Lebenslange Rüstung

Die menschliche Haut ist nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Jemand kann es nur als Muschel betrachten, und jemand macht einen „Knochensack“. Aber wir lassen die Aussagen des unmoralischsten Roboters der Welt namens Bender beiseite und vertiefen uns in die Struktur der menschlichen Haut.

Erstens ist die Haut das größte Organ des menschlichen Körpers (wir werden angesichts der untersuchten Studie keine Auswirkungen auf andere Kreaturen haben), das aus drei Hauptsubsystemen besteht: der Epidermis (äußere Schicht), der Dermis (Bindegewebe zwischen der oberen Schicht der Haut und den Organen) und dem subkutanen Fett Faser (thermoregulierende und schützende Schicht mit der Funktion der "Speicherung" von Nährstoffen).


Die Struktur der menschlichen Haut.

Da Wissenschaftler in der Studie über die Epidermis "zaubern", werden wir diese Schicht genauer betrachten.

Die menschliche Epidermis ähnelt, wenn Sie Anatomie und Kochen gleichermaßen lieben, einem Napoleon-Kuchen, da sie aus fünf Schichten besteht. In jeder der Schichten gibt es Zellen, die die Haupt- "Subjekte" in der Studie sind, die wir betrachten - Keratinozyten. In der Epidermis nehmen sie im Allgemeinen den Löwenanteil ein - etwa 90% aller Zellen.



Die Funktionen von Keratinozyten variieren je nach Zugehörigkeit zu einer bestimmten Schicht:

• basal - die der Dermis am nächsten liegende Schicht, in der Zellen wie Keratinozyten als basal bezeichnet werden, was durchaus logisch ist. Diese Zellen sind in Verbindung mit Stammzellen an einem wichtigen Prozess beteiligt - der epidermalen Regeneration. Auch im Zytoplasma von Keratinozyten gibt es Melanosomen - Melaninkörnchen, die aus Melanozyten (Zellen) gewonnen werden und uns vor ultravioletter Strahlung schützen.
• Die stachelige Schicht erhielt ihren dornigen Namen aufgrund der ungewöhnlichen Struktur von Keratinozytenzellen mit spitzenartigen Prozessen zur Verbindung miteinander. Im Zytoplasma lokaler Keratinozyten wird Keratin synthetisiert, das an der Bildung von Haaren und Nägeln beteiligt ist. Aus biologischer Sicht ist Keratin in seiner körperlichen Stärke nur Chitin unterlegen. Darüber hinaus gibt es Keratinosomen, die unsere Haut hydrophob machen.
• körnige Schicht - Keratinozyten haben auch Keratinosomen, das heißt, sie verhindern die Austrocknung der Haut. Auch Keratinozyten in dieser Schicht synthetisieren einige Proteine.
• Die glänzende Schicht wird so genannt, weil die Mikroskopie keine Zellen zeigt und die Schicht selbst wie ein gleichmäßiger rosa Streifen aussieht. So ist es - die Kerne, Organellen und interzellulären Verbindungen von Keratinozyten in dieser Schicht werden zerstört. In diesem Fall gibt es eine Substanz, die Keratinozyten bindet (oder was von ihnen übrig bleibt). Es macht die Haut fest.
• geil - die äußere Schicht der Epidermis in Kontakt mit der Umwelt. Und es kann als echter Zellfriedhof bezeichnet werden, da es aus toten Keratinozyten (Hornschuppen genannt) besteht, die ständig aktualisiert werden. Dies bietet einen wirksamen Schutz gegen äußere Faktoren.

Keratinozytenzelle

Erwähnenswert ist auch die Tatsache, dass Keratinozyten an der Wundheilung beteiligt sind. Wenn die Haut geschädigt ist, beginnen sich Keratinozytenzellen aktiv zu teilen und wandern in den Bereich der Verletzung, in dem die Epithelisierung auftritt, dh die Wunde beginnt zu wachsen.

Wie wir aus diesen Schichten verstehen können, gibt es viele Keratinozyten, die unterschiedliche Funktionen erfüllen, wenn sie mit Zellen eines anderen Typs zusammenarbeiten. Universelle Soldaten in den Zellen der Epidermis, sonst nichts.

Was ist das Problem der Forschung? Die Tatsache, dass die normale Schicht der menschlichen Epidermis etwa 100 Mikrometer dick ist, während die künstliche (durch Passage von Keratinozyten erzeugte) nur 10 Mikrometer beträgt.

Passage von Zellen * - Auswahl der erforderlichen Anzahl von Zellen für ihr weiteres Wachstum auf einem Substrat (z. B. in einer Petrischale).

Eine solche Epidermis wäre einfach unwirksam wie ein Pappmaché-Tank. Und hier kann Mathematik helfen, nämlich ein mathematisches Modell. Wir werden weiter darüber sprechen.

Studienbasis

Wissenschaftler haben mathematische Modelle als Grundlage für den Prozess der Entstehung der menschlichen Epidermis verwendet. In derselben Studie wurde eine neue Technik zur epidermalen Homöostase entwickelt, die auf einem mathematischen Modell von Keratinozyten basiert, die aus in der Grundschicht verteilten Stammzellen gewonnen wurden. Es ist erwähnenswert, dass das Modell auch dynamische Prozesse in der Epidermis (Migration und Differenzierung von Hautzellen) und intrazelluläre Prozesse im Zusammenhang mit Ca ²⁺ berücksichtigte.

Dieses mathematische Modell ermöglichte es zu verstehen, dass die Verteilung der Stammzellen und die Struktur der Basalmembranen, die das Bindegewebe vom Epithel trennen, eine entscheidende Rolle bei der Synthese der Epidermis mit der erforderlichen Dicke und Struktur spielen.

Wenn wir genauer über einen solchen Indikator wie die Dicke sprechen, dann sind es die Basalmembranen, die die Hauptrolle spielen. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, verwendeten die Wissenschaftler eine sinusförmige Modulation, um die Basalmembran zu bilden, wobei Amplitude und Wellenlänge geändert wurden. Als Ergebnis wurde gefunden, dass für die stabile Struktur der Epidermis der erforderlichen Dicke gewellte Basalmembranen mit einer großen Amplitude und einer kurzen Wellenlänge erforderlich sind. Das heißt, die Welligkeit der Papillenschicht über der Dermis und unter der Epidermis ist entscheidend für die Erstellung eines Modells der Epidermis, das nahe an den realen physiologischen Parametern liegt.

Neben Dicke und Festigkeit weist die menschliche Haut auch eine Hydrophobizität auf, die von der Dicke des Stratum Corneum abhängt. Dementsprechend sollte die Dicke dieser Schicht auch im Versuchsmodell für eine realistischere Nachbildung der Epidermis berücksichtigt werden.

Die Wissenschaftler kombinierten alles Gewünschte und Notwendige und entwarfen das Modell, um die Möglichkeit zu demonstrieren, eine realitätsnahe Epidermis zu erzeugen, einschließlich des Stratum Corneum und der interzellulären lamellaren Lipidstruktur. All dies wurde durch Aussäen passivierter Keratinozyten auf die wellige Oberfläche der Polyesterbasis in offenen Petrischalen realisiert.

Die Ergebnisse waren sehr erfolgreich, was nicht nur die Nützlichkeit und Richtigkeit dieser Wachstumsmethode bestätigte, sondern auch die Bedeutung der Verwendung mathematischer Modelle als Werkzeuge zur Vorhersage von Prozessen.

Forschungsergebnisse


Bild Nr. 1

Die obigen Bilder zeigen die Simulationsergebnisse und die Ergebnisse des epidermalen Wachstums basierend auf dieser Simulation.

Die Forscher machen uns auf zwei sehr aufschlussreiche Bilder aufmerksam ( 1A und 1B ). Im ersten Fall gibt es eine flache Basalmembran, im zweiten eine sinusförmige Membran, die es ermöglichte, die Dicke und Festigkeit der Epidermis zu erhöhen.

Dies ist jedoch nur ein Modell, wenn auch mit sehr verlockenden Ergebnissen, für das festgelegt werden muss, welche Parameter die Grundlage für die Aussaat (Polyester) haben sollte. Hierzu wurde die Struktur der Papillenschicht analysiert, deren Dicke bei einer Person 51 μm beträgt und deren „Welligkeitsintervall“ 105 μm beträgt (Haut in der Bauchhöhle wurde analysiert, das Durchschnittsalter der Studienteilnehmer betrug 36,3 Jahre).

Bild 1C zeigt die Bilder (die Farbe wurde aufgrund von Hämatoxylin und Eosin erhalten) der erhaltenen Epidermis mit verschiedenen Varianten der Base (Nr. 200, Nr. 255, Nr. 300, Nr. 350, Nr. 460 und Nr. 480). Ganz oben im Bild („ Kontrolle “) fungiert die Epidermis ohne Wellenbasis als Kontrollgruppe für den Vergleich der Ergebnisse.

Am interessantesten für Wissenschaftler waren die Optionen Nr. 200, Nr. 255 und Nr. 300, die im Vergleich zur Kontrollprobe eine gute Dicke zeigten. Die auf # 255 basierende lebende Schicht der Epidermis war dicker als auf der Basis von # 200 und # 300. Daher wurde diese Option für weitere Studien ausgewählt.

Eine kurze Schlussfolgerung ist, dass die wellenartige Basis für die Aussaat zu einer Zunahme der Anzahl lebender Zellen der Epidermis und zu ihrer Verdickung und Verdichtung führt, wodurch die gewachsene Probe real näher an die Epidermis heranrückt.


Bild Nr. 2

Die Strukturproteine ​​Filaggrin, Loricrin, Claudin 1 und ZO-1 spielen eine der Schlüsselrollen in der Epidermis. Um zu überprüfen, ob die Expression (Synthese) dieser Proteine ​​normal verlief, führten die Wissenschaftler eine immunhistochemische Untersuchung der Epidermis durch, die auf der Basis von # 255 gezüchtet wurde.

Filaggrin ( 2A ), Loricrin ( 2B ) und ZO-1 ( 2C ) wurden in der oberen Schicht der Epidermis exprimiert. Die Expression von Claudin 1 erfolgte in der Zellmembran entlang der gesamten Ebene der Epidermis ( 2D ).

Achten Sie auf das 2G-Bild, auf dem ein schwarzer Pfeil und die Markierung „*“ eine bestimmte Ebene markieren - geil. Dies legt nahe, dass diese synthetisierte Epidermis gute Schutzeigenschaften (vor äußeren Faktoren) aufweist.

Eine immunhistochemische Studie wurde auch mit der Epidermis basierend auf # 300 durchgeführt, um sie mit der Epidermis # 255 zu vergleichen. Die Expression von Claudin 1 und ZO-1 wurde in beiden Varianten nachgewiesen, war jedoch in # 255 signifikant stärker. Zur Bestätigung wurde ein weiterer Test durchgeführt - Messung des transepidermalen Wasserverlusts der Kontroll- und # 255-Proben. Die grafische Darstellung der Ergebnisse dieses Tests ( 2H ) zeigt deutlich, dass der Wasserverlust der Probe Nr. 255 viel geringer ist, was wiederum die hohen Barriere- (und Schutzeigenschaften) bestätigt.


Bild Nr. 3

Die Färbung der Probe mit Anti-Bromdeoxyuridin-Antikörpern (Anti-BrdU) zeigte, dass proliferierende Zellen nur im unteren Teil der Kontrollprobe ( 3A ) vorhanden sind, während in der Testprobe Nr. 255 die gleichen Zellen auf den Fasern der Polyesterbase ( 3B) gefunden wurden. schwarze Pfeile).

Die Forscher testeten auch das CSPG4-Protein, das eine sehr wichtige Rolle bei der Interaktion von Zelle und Substrat spielt. Die Analyse zeigte das Vorhandensein dieser Zellen auf den Basisfasern ( 3D , weiße Pfeile), was auf das Vorhandensein von Zellen auf den Fasern hinweist, von denen einige proliferierende Eigenschaften haben.

Zusätzlich wurden Tests mit Anti-Bromdeoxyuridin-Antikörpern und K14 durchgeführt, einem Marker für die epidermale Grundschicht. Probe Nr. 255 zeigte ein einzigartiges Ergebnis - das Vorhandensein von K14 und BrdU auf der Oberfläche der Polyesterbasis. Dies legt nahe, dass proliferierende Zellen die Oberfläche der Basis als Grundschicht erkennen.

Der nächste Test war das YAP-Protein, das an der Regulation der Transkription beteiligt ist (RNA-Synthese in Zellen durch DNA). In der Kontrollprobe befand sich YAP ausschließlich auf der Grundschicht ( 3E ). In der Testprobe war jedoch YAP um die Fasern herum vorhanden ( 3F , rote Pfeile).

Die Verwendung kleiner störender RNAs bei der Analyse der Aktivität des YAP-Proteins führte zur Destabilisierung der dreidimensionalen Struktur ( 3G und 3H ).

In der Kontrollprobe unter Verwendung kleiner interferierender RNAs wurde das YAP-Protein um die Fasern herum exprimiert ( 3I ), und in der Testprobe war die Expression vernachlässigbar ( 3J ). Trotzdem hatte die Verwendung kleiner störender RNAs keinen Einfluss auf die Proliferation von Keratinozyten.

Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen und Details der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Forschungsgruppe und zusätzliche Materialien dazu ansehen.

Nachwort

Diese Studie kombinierte Biochemie und Mathematik. Natürlich gehen diese beiden Wissenschaften oft paarweise zusammen, wenn Wissenschaftler verlässliche und angemessene Ergebnisse erzielen wollen. Die Verwendung mathematischer Modelle in diesem Fall half zu verstehen, wie wichtig die wellenförmige Basis für das Wachstum der Epidermis ist, was die Anzahl lebender Zellen und folglich die Dicke und Stärke der Probe signifikant erhöht.

Diese Arbeit zielte in größerem Maße darauf ab, die Funktionsfähigkeit nur des mathematischen Modells zu testen und nicht die Technik des Wachstums der Epidermis selbst. Die Schwierigkeiten, auf die Forscher zuvor gestoßen sind, werden sie nicht länger daran hindern, die Methoden zur Synthese von Zellen und zum Wachstum der Epidermis in einer Form, die der realen so nahe wie möglich kommt, genauer zu untersuchen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten sowohl für die Transplantologie als auch für Untersuchungen der menschlichen Haut insgesamt ein wichtiger Schritt sein und andere Forscher ermutigen, die mathematische Modellierung als vorrangiges Instrument aktiver einzusetzen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Arbeitswoche, Jungs.

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