Mathématiques de la peau: croissance de l'épiderme basée sur la modélisation mathématique

Le corps humain peut être comparé en toute sécurité à un mécanisme très complexe et parfois déroutant, qui n'était pas accompagné d'instructions, par conséquent, les scientifiques eux-mêmes doivent tout comprendre. Notre corps possède de nombreux systèmes, du nerveux au système immunitaire, chacun remplissant ses fonctions spécifiques et se liant à d'autres systèmes, ce qui permet au corps de fonctionner efficacement. Dans la communauté des chercheurs, la part du lion de l'attention tombe sur le système nerveux. Tout le monde est attiré pour révéler les secrets de notre cerveau, si souvent comparé par mystère à l'Univers. Mais d'autres systèmes ne sont pas moins intéressants, complexes et importants. Aujourd'hui, nous allons considérer une étude qui combine les mathématiques, la biochimie et beaucoup de curiosité. Et le but de cette étude est l'épiderme, c'est-à-dire la peau humaine. Comment les mathématiques ont-elles aidé les scientifiques à comprendre ce qui leur manquait dans le processus de croissance de la peau et qu'ont-ils obtenu en conséquence? Nous essaierons de répondre à ces questions et à d'autres à l'aide du rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Armure à vie

La peau humaine n'est pas aussi simple que cela puisse paraître à première vue. Quelqu'un peut le considérer comme une coquille et quelqu'un fait un «sac à os». Mais nous laissons de côté les déclarations du robot le plus immoral du monde nommé Bender et nous plongons dans la structure de la peau humaine.

Premièrement, la peau est le plus grand organe du corps humain (nous n'affecterons pas les autres créatures, compte tenu de l'étude à l'étude), composée de trois sous-systèmes principaux: l'épiderme (couche externe), le derme (tissu conjonctif entre la couche supérieure de la peau et les organes) et la graisse sous-cutanée fibre (couche thermorégulatrice et protectrice ayant pour fonction de "stockage" des nutriments).


La structure de la peau humaine.

Puisque dans l'étude, les scientifiques "évoquent" l'épiderme, nous examinerons cette couche plus en détail.

L'épiderme humain, si vous aimez également l'anatomie et la cuisine, ressemble à un gâteau Napoléon, car il se compose de cinq couches. Dans chacune des couches, il y a des cellules qui sont les principaux "sujets" de l'étude que nous envisageons - les kératinocytes. Dans l'épiderme, ils occupent généralement la part du lion - environ 90% de toutes les cellules.



Les fonctions des kératinocytes varient en fonction de l'appartenance à une couche particulière:

• basal - la couche la plus proche du derme, dans laquelle les cellules telles que les kératinocytes sont appelées basales, ce qui est tout à fait logique. Ces cellules, conjointement avec les cellules souches, sont impliquées dans un processus important - la régénération épidermique. Toujours dans le cytoplasme des kératinocytes, il y a des mélanosomes - des granules de mélanine obtenus à partir de mélanocytes (cellules) qui nous protègent des rayons ultraviolets.
• la couche épineuse a obtenu son nom épineux en raison de la structure inhabituelle des cellules kératinocytaires ayant des processus semblables à des pointes pour se connecter les unes aux autres. Dans le cytoplasme des kératinocytes locaux, la kératine est synthétisée, qui participe à la formation des cheveux et des ongles. D'un point de vue biologique, la kératine n'est inférieure en force physique qu'à la chitine. En plus de cela, il existe des kératinosomes qui rendent notre peau hydrophobe.
• couche granulaire - les kératinocytes ont également des kératinosomes, c'est-à-dire qu'ils empêchent la déshydratation de la peau. De plus, les kératinocytes de cette couche synthétisent certaines protéines.
• la couche brillante est nommée ainsi, car la microscopie ne révèle pas les cellules, et la couche elle-même ressemble à une bande uniforme de rose. Il en est ainsi - les noyaux, les organites et les composés intercellulaires des kératinocytes de cette couche sont détruits. Dans ce cas, il existe une substance qui lie les kératinocytes (ou ce qui en reste). Il rend la peau ferme.
• cornée - la couche externe de l'épiderme en contact avec l'environnement. Et on peut l'appeler un véritable cimetière cellulaire, car il est formé de kératinocytes morts (appelés écailles cornées), qui sont constamment mis à jour. Cela offre une protection efficace contre les facteurs externes.

Cellule kératinocytaire

Il convient également de mentionner le fait que les kératinocytes sont impliqués dans la cicatrisation des plaies. Si la peau est endommagée, les cellules kératinocytaires commencent à se diviser activement et à migrer vers la zone de blessure où l'épithélisation se produit, c'est-à-dire que la plaie commence à envahir.

Comme nous pouvons le comprendre à partir de ces couches, il y a beaucoup de kératinocytes et ils remplissent des fonctions différentes lorsqu'ils travaillent avec des cellules d'un type différent. Des soldats universels parmi les cellules de l'épiderme, rien d'autre.

Quel est le problème de la recherche, demandez-vous? Mais le fait que la couche normale de l'épiderme humain soit d'environ 100 microns d'épaisseur, mais celle artificielle (créée par le passage des kératinocytes) ne fait que 10 microns.

Cellules de passage * - sélection du nombre requis de cellules pour leur croissance ultérieure sur un substrat (par exemple, dans une boîte de Pétri).

Un tel épiderme serait tout simplement inefficace, comme un réservoir en papier mâché. Et ici, les mathématiques peuvent aider, à savoir un modèle mathématique. Nous en reparlerons plus loin.

Base d'étude

Les scientifiques ont utilisé des modèles mathématiques comme base du processus de création de l'épiderme humain. Dans la même étude, une nouvelle technique d'homéostasie épidermique a été développée, qui est basée exactement sur le modèle mathématique des kératinocytes obtenus à partir de cellules souches réparties dans la couche basale. Il convient de noter que le modèle a également pris en compte les processus dynamiques dans l'épiderme (migration et différenciation des cellules de la peau) et les processus intracellulaires associés au Ca ²⁺ .

Ce modèle mathématique a permis de comprendre que la distribution des cellules souches et la structure des membranes basales qui séparent le tissu conjonctif de l'épithélium jouent un rôle crucial dans la synthèse de l'épiderme de l'épaisseur et de la structure requises.

Si nous parlons plus précisément d'un indicateur tel que l'épaisseur, ce sont les membranes basales qui jouent le rôle principal. Pour atteindre le résultat souhaité, les scientifiques ont appliqué une modulation sinusoïdale pour former la membrane basale, modifiant l'amplitude et la longueur d'onde. En conséquence, il a été constaté que pour la structure stable de l'épiderme de l'épaisseur requise, des membranes basales ondulées de grande amplitude et de courte longueur d'onde sont nécessaires. Autrement dit, l'ondulation de la couche papillaire située au-dessus du derme et sous l'épiderme est essentielle pour créer un modèle de l'épiderme qui est proche de paramètres physiologiques réels.

En plus de son épaisseur et de sa résistance, la peau humaine présente également une hydrophobicité, qui dépend de l'épaisseur de la couche cornée. En conséquence, l'épaisseur de cette couche doit également être prise en compte dans le modèle expérimental pour une recréation plus réaliste de l'épiderme.

Combinant tout ce qui est souhaité et nécessaire, les scientifiques ont conçu le modèle pour démontrer la possibilité de créer un épiderme proche de la réalité, y compris la couche cornée et la structure lipidique lamellaire intercellulaire. Tout cela a été réalisé en ensemencant des kératinocytes passivés sur la surface ondulée de la base de polyester dans des boîtes de Pétri ouvertes.

Les résultats ont été très réussis, ce qui a confirmé non seulement l'utilité et la justesse de cette méthode de croissance, mais également l'importance d'utiliser des modèles mathématiques comme outils de prévision des processus.

Résultats de recherche


Image n ° 1

Les images ci-dessus montrent les résultats de la simulation et les résultats de la croissance épidermique basés sur cette simulation.

Les chercheurs attirent notre attention sur deux images très révélatrices ( 1A et 1B ). Dans le premier cas, il y a une membrane basale plate, dans le second - une membrane sinusoïdale, ce qui a permis d'augmenter l'épaisseur et la résistance de l'épiderme.

Mais ce n'est qu'un modèle, quoique avec des résultats très tentants, pour lequel il est nécessaire d'établir quels paramètres la base du semis (polyester) devrait avoir. Pour cela, la structure de la couche papillaire a été analysée, dont l'épaisseur est de 51 μm chez une personne et l'intervalle "d'ondulation" est de 105 μm (la peau de la cavité abdominale a été analysée, l'âge moyen des participants à l'étude était de 36,3 ans).

L'image 1C montre les images (la couleur a été obtenue grâce à l'hématoxyline et à l'éosine) de l'épiderme obtenu avec différentes variantes de la base (# 200, # 255, # 300, # 350, # 460 et # 480). Tout en haut de l'image (« Contrôle »), l'épiderme sans base ondulée agit comme un groupe témoin pour comparer les résultats.

Les options les plus intéressantes pour les scientifiques étaient les options # 200, # 255 et # 300, qui présentaient une bonne épaisseur par rapport à l'échantillon témoin. La couche vivante de l'épiderme basée sur # 255 était plus épaisse que sur la base de # 200 et # 300. C'est donc cette option qui a été choisie pour une étude plus approfondie.

Une brève conclusion est que la base ondulatoire de l'ensemencement conduit à une augmentation du nombre de cellules vivantes de l'épiderme et à son épaississement et sa compaction, ce qui rapproche l'échantillon cultivé de l'épiderme en termes réels.


Image n ° 2

Les protéines structurales filaggrine, loricrine, claudine 1 et ZO-1 jouent l'un des rôles clés dans l'épiderme. Afin de vérifier si l'expression (synthèse) de ces protéines s'est déroulée normalement, les scientifiques ont mené une étude immunohistochimique de l'épiderme cultivé sur la base du # 255.

La filaggrine ( 2A ), la loricrine ( 2B ) et la ZO-1 ( 2C ) ont été exprimées dans la couche supérieure de l'épiderme. Et l'expression de la claudine 1 était dans la membrane cellulaire le long du plan entier de l'épiderme ( 2D ).

Faites attention à l'image 2G, sur laquelle une flèche noire et la marque «*» marquent une certaine couche - cornée. Cela suggère que cet épiderme synthétisé possède de bonnes caractéristiques de protection (contre les facteurs externes).

Une étude immunohistochimique a également été menée avec l'épiderme basé sur # 300 pour comparer avec l'épiderme # 255. L'expression de claudine 1 et ZO-1 a été détectée dans les deux variantes, mais dans # 255, elle était significativement plus forte. Pour confirmer cela, un autre test a été effectué - mesurant la perte d'eau transépidermique du témoin et des échantillons # 255. Le graphique des résultats de ce test ( 2H ) démontre clairement que la perte d'eau de l'échantillon # 255 est beaucoup plus faible, ce qui confirme une fois de plus ses caractéristiques de barrière (et de protection) élevées.


Image n ° 3

La coloration de l'échantillon avec des anticorps anti-bromodésoxyuridine (anti-BrdU) a montré que les cellules proliférantes ne sont présentes que dans la partie inférieure de l'échantillon témoin ( 3A ), tandis que dans l'échantillon test # 255, les mêmes cellules ont été trouvées sur les fibres de la base polyester ( 3B , flèches noires).

Les chercheurs ont également testé la protéine CSPG4, qui joue un rôle très important dans l'interaction de la cellule et du substrat. L'analyse a montré la présence de ces cellules sur les fibres de base ( 3D , flèches blanches), ce qui indique la présence de cellules sur les fibres, dont certaines ont des propriétés proliférantes.

De plus, des tests ont été effectués avec des anticorps anti-bromodésoxyuridine et K14, qui est un marqueur de la couche basale épidermique. L'échantillon # 255 a montré un résultat unique - la présence de K14 et de BrdU à la surface de la base en polyester. Cela suggère que les cellules proliférantes reconnaissent la surface de la base comme une couche basale.

Le test suivant a été la protéine YAP, impliquée dans la régulation de la transcription (synthèse d'ARN dans les cellules via l'ADN). Dans l'échantillon témoin, YAP était localisé exclusivement sur la couche basale ( 3E ). Mais dans l'échantillon test, du YAP était présent autour des fibres ( 3F , flèches rouges).

L'utilisation de petits ARN interférents dans l'analyse de l'activité de la protéine YAP a conduit à la déstabilisation de la structure tridimensionnelle ( 3G et 3H ).

Dans l'échantillon témoin utilisant de petits ARN interférents, la protéine YAP était exprimée autour des fibres ( 3I ), et dans l'échantillon test, l'expression était négligeable ( 3J ). Mais, malgré cela, l'utilisation de petits ARN interférents n'a pas affecté la prolifération des kératinocytes.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances et des détails de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Cette étude combine biochimie et mathématiques. Bien entendu, ces deux sciences vont souvent de pair si les scientifiques ont l'intention d'obtenir des résultats fiables et adéquats. L'utilisation de la modélisation mathématique dans ce cas a aidé à comprendre l'importance de la base ondulatoire pour la croissance de l'épiderme, ce qui augmente considérablement le nombre de cellules vivantes et, par conséquent, l'épaisseur et la résistance de l'échantillon.

Ce travail, dans une plus large mesure, visait à tester l'opérabilité du modèle mathématique, et non la technique de croissance de l'épiderme lui-même. Les difficultés rencontrées précédemment ne les empêcheront plus de continuer à étudier plus en détail les méthodes de synthèse des cellules et de croissance de l'épiderme sous une forme au plus proche de la vraie.

Les résultats de ces travaux pourraient bien devenir une avancée assez importante à la fois pour la transplantologie et pour les études de la peau humaine dans son ensemble, et encourager d'autres chercheurs à utiliser plus activement la modélisation mathématique comme outil d'importance prioritaire.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars.

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