त्वचा गणित: गणितीय मॉडलिंग के आधार पर एपिडर्मिस का बढ़ना

मानव शरीर को बहुत जटिल और कभी-कभी भ्रमित करने वाले तंत्र के साथ सुरक्षित रूप से तुलना की जा सकती है, जो निर्देशों के साथ नहीं थी, इसलिए, वैज्ञानिकों को खुद को सब कुछ समझना होगा। हमारे शरीर में, तंत्रिका से लेकर प्रतिरक्षा तक कई प्रणालियां हैं, जिनमें से प्रत्येक अपने विशिष्ट कार्यों को करती है और अन्य प्रणालियों के साथ संचार करती है, जो शरीर को कुशलता से कार्य करने की अनुमति देती है। अनुसंधान समुदाय में, शेर का ध्यान तंत्रिका तंत्र पर पड़ता है। हर कोई हमारे मस्तिष्क के रहस्यों को प्रकट करने के लिए तैयार है, जो ब्रह्मांड की तुलना में अक्सर रहस्य से तुलना की जाती है। लेकिन अन्य प्रणालियां कम दिलचस्प, जटिल और महत्वपूर्ण नहीं हैं। आज हम एक अध्ययन पर विचार करेंगे जो गणित, जैव रसायन और बहुत सारी जिज्ञासाओं को जोड़ता है। और इस अध्ययन का लक्ष्य एपिडर्मिस है, अर्थात् मानव त्वचा। गणित ने वैज्ञानिकों को यह समझने में कैसे मदद की कि बढ़ती त्वचा की प्रक्रिया में उनके पास क्या कमी थी और परिणामस्वरूप उन्हें क्या मिला? हम अनुसंधान समूह की रिपोर्ट की मदद से इन और अन्य सवालों के जवाब देने की कोशिश करेंगे। चलो चलते हैं।

आजीवन कवच

मानव त्वचा इतनी सरल नहीं है जितनी पहली नज़र में लग सकती है। कोई इसे सिर्फ एक खोल मान सकता है, और कोई इसे "बोन बैग" कहता है। लेकिन हम बेंडर नाम के दुनिया के सबसे अनैतिक रोबोट के बयानों को छोड़ देते हैं और मानव त्वचा की संरचना में तल्लीन हो जाते हैं।

सबसे पहले, त्वचा मानव शरीर का सबसे बड़ा अंग है (हम अन्य प्राणियों को प्रभावित नहीं करेंगे, विचाराधीन अध्ययन दिया गया है), जिसमें तीन मुख्य उपतंत्र शामिल हैं: एपिडर्मिस (बाहरी परत), डर्मिस (त्वचा और अंगों की ऊपरी परत के बीच संयोजी ऊतक) और चमड़े के नीचे की वसा फाइबर (थर्मोरेग्युलेटिंग और सुरक्षात्मक परत पोषक तत्वों के "भंडारण" के कार्य के साथ)।


मानव त्वचा की संरचना।

अध्ययन के बाद से, वैज्ञानिकों ने एपिडर्मिस के ऊपर "कंसीलर" किया, हम इस परत पर अधिक विस्तार से विचार करेंगे।

मानव एपिडर्मिस, यदि आप समान रूप से शरीर रचना और खाना पकाने से प्यार करते हैं, तो एक नेपोलियन केक जैसा दिखता है, क्योंकि इसमें पांच परतें होती हैं। प्रत्येक परत में ऐसी कोशिकाएँ होती हैं जो हमारे द्वारा अध्ययन किए जा रहे मुख्य "विषय" हैं - केराटिनोसाइट्स। एपिडर्मिस में, वे आम तौर पर शेर के हिस्से पर कब्जा कर लेते हैं - सभी कोशिकाओं का लगभग 90%।



केराटिनोसाइट्स के कार्य एक विशेष परत से संबंधित होते हैं:

• बेसल - डर्मिस के सबसे करीब की परत, जिसमें केराटिनोसाइट्स जैसी कोशिकाओं को बेसल कहा जाता है, जो काफी तार्किक है। ये कोशिकाएं, स्टेम कोशिकाओं के साथ मिलकर, एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया में शामिल होती हैं - एपिडर्मल पुनर्जनन। केराटिनोसाइट्स के साइटोप्लाज्म में भी मेलानोसोम होते हैं - मेलानोसाइट्स (कोशिकाओं) से प्राप्त मेलेनिन ग्रैन्यूल जो हमें पराबैंगनी विकिरण से बचाते हैं।
• केराटिनोसाइट कोशिकाओं की असामान्य संरचना के कारण स्पाइकी परत को एक दूसरे के साथ संबंध के लिए स्पाइक जैसी प्रक्रियाएं होने के कारण इसका कांटेदार नाम मिला। स्थानीय केराटिनोसाइट्स के साइटोप्लाज्म में, केराटिन को संश्लेषित किया जाता है, जो बालों और नाखूनों के निर्माण में शामिल होता है। एक जैविक दृष्टिकोण से, केराटिन केवल चिटिन के लिए शारीरिक शक्ति में हीन है। इसके अलावा, केराटिनोसोम होते हैं जो हमारी त्वचा को हाइड्रोफोबिक बनाते हैं।
• दानेदार परत - केराटिनोसाइट्स में केराटिनोसम भी होते हैं, अर्थात्, वे त्वचा की निर्जलीकरण को रोकते हैं। साथ ही, इस परत में केराटिनोसाइट्स कुछ प्रोटीनों का संश्लेषण करते हैं।
• चमकदार परत को नाम दिया गया है, क्योंकि माइक्रोस्कोपी कोशिकाओं को प्रकट नहीं करता है, और परत खुद गुलाबी की एक समान पट्टी की तरह दिखती है। तो यह है - इस परत में केराटिनोसाइट्स के नाभिक, अंग और अंतरकोशिकीय यौगिक नष्ट हो जाते हैं। इस मामले में, एक पदार्थ है जो केराटिनोसाइट्स को बांधता है (या उनमें से क्या बचा है)। यह त्वचा को दृढ़ बनाता है।
• सींग - पर्यावरण के संपर्क में एपिडर्मिस की बाहरी परत। और इसे एक वास्तविक सेल कब्रिस्तान कहा जा सकता है, क्योंकि यह मृत केराटिनोसाइट्स (जिसे सींग का तराजू कहा जाता है) से बनता है, जो लगातार अपडेट होते हैं। यह बाहरी कारकों के खिलाफ प्रभावी सुरक्षा प्रदान करता है।

केराटिनोसाइट कोशिका

यह इस तथ्य का भी उल्लेख करने योग्य है कि केराटिनोसाइट्स घाव भरने में शामिल हैं। यदि त्वचा क्षतिग्रस्त हो जाती है, तो केराटिनोसाइट कोशिकाएं सक्रिय रूप से विभाजित होने लगती हैं और चोट के क्षेत्र में स्थानांतरित हो जाती हैं जहां उपकलाकरण होता है, अर्थात, घाव अधिक होने लगता है।

जैसा कि हम इन परतों से समझ सकते हैं, बहुत सारे केराटिनोसाइट्स हैं और जब वे एक अलग प्रकार की कोशिकाओं के साथ मिलकर काम करते हैं तो वे अलग-अलग कार्य करते हैं। एपिडर्मिस की कोशिकाओं के बीच सार्वभौमिक सैनिक, और कुछ नहीं।

अनुसंधान की समस्या क्या है, आप पूछें? लेकिन यह तथ्य कि मानव एपिडर्मिस की सामान्य परत मोटाई में लगभग 100 माइक्रोन है, लेकिन कृत्रिम एक (केराटिनोसाइट्स को पारित करके बनाया गया) केवल 10 माइक्रोन है।

पासिंग सेल * - एक सब्सट्रेट पर उनके आगे विकास के लिए आवश्यक कोशिकाओं की संख्या का चयन (उदाहरण के लिए, पेट्री डिश में)।

इस तरह का एक एपिडर्मिस बस एक अप्रभावी होगा, जैसे कि पपीयर-मैचे टैंक। और यहाँ गणित में मदद कर सकते हैं, अर्थात् एक गणितीय मॉडल। हम इसके बारे में आगे बात करेंगे।

अध्ययन का आधार

मानव एपिडर्मिस बनाने की प्रक्रिया के आधार के रूप में वैज्ञानिकों ने गणितीय मॉडल का उपयोग किया है। उसी अध्ययन में, एपिडर्मल होमोस्टैसिस के लिए एक नई तकनीक विकसित की गई थी, जो कि बेसल परत में वितरित स्टेम कोशिकाओं से प्राप्त केरेटिनकोशिकाओं के गणितीय मॉडल पर आधारित है। यह ध्यान देने योग्य है कि मॉडल ने एपिडर्मिस (त्वचा कोशिकाओं के प्रवास और भेदभाव) और सीए ^{2+ से} जुड़ी इंट्रासेल्युलर प्रक्रियाओं में गतिशील प्रक्रियाओं को भी ध्यान में रखा है।

इस गणितीय मॉडल ने यह समझना संभव बना दिया कि स्टेम कोशिकाओं के वितरण और तहखाने की झिल्लियों की संरचना जो एपिथेलियम से संयोजी ऊतक को अलग करती है, आवश्यक मोटाई और संरचना के एपिडर्मिस के संश्लेषण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

यदि हम मोटाई के रूप में इस तरह के एक संकेतक के बारे में अधिक विशेष रूप से बात करते हैं, तो यह तहखाने की झिल्ली है जो मुख्य भूमिका निभाते हैं। वांछित परिणाम प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने तहखाने की झिल्ली बनाने के लिए साइनसॉइडल मॉडुलन लागू किया, जिससे आयाम और तरंगदैर्ध्य बदल गया। नतीजतन, यह पाया गया कि आवश्यक मोटाई के एपिडर्मिस की स्थिर संरचना के लिए, एक बड़े आयाम के साथ लहराती बेसल झिल्ली और एक छोटी तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता होती है। यही है, डर्मिस के ऊपर और उपकला के नीचे स्थित पैपिलरी परत की लहराव एपिडर्मिस का एक मॉडल बनाने के लिए महत्वपूर्ण है जो वास्तविक शारीरिक मापदंडों के करीब है।

मोटाई और ताकत के अलावा, मानव त्वचा में हाइड्रोफोबिसिटी भी होती है, जो स्ट्रेटम कॉर्नियम की मोटाई पर निर्भर करती है। तदनुसार, इस परत की मोटाई को एपिडर्मिस के अधिक यथार्थवादी मनोरंजन के लिए प्रयोगात्मक मॉडल में भी ध्यान में रखा जाना चाहिए।

सभी वांछित और आवश्यक को मिलाकर, वैज्ञानिकों ने एक एपिडर्मिस बनाने की संभावना को प्रदर्शित करने के लिए मॉडल तैयार किया जो स्ट्रैटम कॉर्नियम और इंटरसेलुलर लैमेलर लिपिड संरचना सहित वास्तविकता के करीब है। यह सब खुले पेट्री डिश में पॉलिएस्टर बेस की लहराती सतह पर निष्क्रिय केराटिनोसाइट्स के बीजारोपण द्वारा महसूस किया गया था।

परिणाम बहुत सफल रहे, जिसने न केवल इस पद्धति के बढ़ने की उपयोगिता और शुद्धता की पुष्टि की, बल्कि प्रक्रियाओं के पूर्वानुमान के लिए गणितीय मॉडल के उपकरण के रूप में उपयोग करने के महत्व को भी बताया।

अनुसंधान के परिणाम


चित्र संख्या 1

ऊपर दिए गए चित्र सिमुलेशन परिणाम और इस सिमुलेशन के आधार पर एपिडर्मल वृद्धि के परिणाम दिखाते हैं।

शोधकर्ता दो बहुत ही खुलासा चित्रों ( 1 ए और 1 बी ) पर हमारा ध्यान आकर्षित करते हैं। पहले मामले में, एक फ्लैट तहखाने झिल्ली है, दूसरे में - एक साइनसोइडल झिल्ली, जिसने एपिडर्मिस की मोटाई और ताकत बढ़ाने की अनुमति दी।

लेकिन यह केवल एक मॉडल है, बहुत ही लुभावने परिणामों के साथ, जिसके लिए यह स्थापित करना आवश्यक है कि बुवाई (पॉलिएस्टर) के लिए क्या पैरामीटर होना चाहिए। इसके लिए, पैपिलरी परत की संरचना का विश्लेषण किया गया था, जिसकी मोटाई एक व्यक्ति में 51 माइक्रोन है और "लहराती" अंतराल 105 μm है (पेट की गुहा पर त्वचा का विश्लेषण किया गया था, अध्ययन प्रतिभागियों की औसत आयु 36.3 वर्ष थी)।

छवि 1C छवियों को दिखाता है (आधार के विभिन्न वेरिएंट (# 200, # 255, # 300, # 350, # 460 और # 480) के साथ प्राप्त एपिडर्मिस के रंग (हेमटॉक्सिलिन और ईोसिन के कारण रंग प्राप्त किया गया था)। छवि के बहुत ऊपर (" नियंत्रण "), लहराती आधार के बिना एपिडर्मिस परिणामों की तुलना करने के लिए नियंत्रण समूह के रूप में कार्य करता है।

वैज्ञानिकों के लिए सबसे दिलचस्प विकल्प # 200, # 255 और # 300 थे, जिन्होंने नियंत्रण नमूने की तुलना में अच्छी मोटाई दिखाई। # 255 पर आधारित एपिडर्मिस की जीवित परत # 200 और # 300 के आधार पर अधिक मोटी थी। इसलिए, यह वह विकल्प था जिसे आगे के अध्ययन के लिए चुना गया था।

एक संक्षिप्त निष्कर्ष यह है कि बीजारोपण के लिए लहर की तरह आधार एपिडर्मिस की जीवित कोशिकाओं की संख्या में वृद्धि और इसके गाढ़ा और संघनन की ओर जाता है, जो वास्तविक रूप में एपिडर्मिस के करीब बढ़ी हुई नमूना लाता है।


चित्र संख्या 2

स्ट्रक्चरल प्रोटीन फ़्लैग्रेगिन, लॉरीक्रिन, क्लुडिन 1 और जेडओ -1 एपर्मासिस में प्रमुख भूमिकाओं में से एक है। यह जांचने के लिए कि क्या इन प्रोटीनों की अभिव्यक्ति (संश्लेषण) सामान्य रूप से आगे बढ़ी है, वैज्ञानिकों ने # 255 के आधार पर विकसित एपिडर्मिस का एक प्रतिरक्षाविज्ञानी अध्ययन किया।

एपिडर्मिस की ऊपरी परत में फिलाग्राग्रीन ( 2 ए ), लॉरिकिन ( 2 बी ) और जेडओ -1 ( 2 सी ) व्यक्त किए गए थे। और क्लुडाइन 1 की अभिव्यक्ति एपिडर्मिस ( 2 डी ) के पूरे विमान के साथ कोशिका झिल्ली में थी।

2 जी छवि पर ध्यान दें, जिस पर एक काला तीर और "*" चिह्न एक निश्चित परत - सींग का बना हुआ है। इससे पता चलता है कि इस संश्लेषित एपिडर्मिस में अच्छी सुरक्षात्मक (बाहरी कारकों से) विशेषताएं हैं।

एपिडर्मिस # 255 के साथ तुलना करने के लिए # 300 पर आधारित एपिडर्मिस के साथ एक इम्यूनोहिस्टोकैमिकल अध्ययन भी किया गया था। दोनों वैरिएंट्स में क्लॉडाइन 1 और जेडओ -1 के एक्सप्रेशन का पता चला था, लेकिन # 255 में यह काफी मजबूत था। इसकी पुष्टि में, एक और परीक्षण किया गया था - नियंत्रण और # 255 नमूनों के ट्रेसेपिडर्मल पानी के नुकसान को मापना। इस परीक्षण ( 2 एच ) के परिणामों का ग्राफ स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि नमूना # 255 का पानी का नुकसान बहुत कम है, जो एक बार फिर इसकी उच्च बाधा (और सुरक्षात्मक) विशेषताओं की पुष्टि करता है।


चित्र संख्या 3

एंटी-ब्रोमोडॉक्सीयूरिन एंटीबॉडी (एंटी-ब्रूडू) के साथ नमूने के धुंधला होने से पता चला है कि प्रोलिफ़ेरेटिंग सेल केवल नियंत्रण नमूने ( 3 ए ) के निचले हिस्से में मौजूद हैं, जबकि परीक्षण नमूने में # 255 पॉलिएस्टर बेस ( 3 बी) के तंतुओं पर समान कोशिकाएं पाई गईं। काले तीर)।

शोधकर्ताओं ने CSPG4 प्रोटीन का भी परीक्षण किया, जो कोशिका और सब्सट्रेट की परस्पर क्रिया में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। विश्लेषण ने आधार तंतुओं ( 3 डी , सफेद तीर) पर इन कोशिकाओं की उपस्थिति को दिखाया, जो तंतुओं पर कोशिकाओं की उपस्थिति को इंगित करता है, जिनमें से कुछ में गुणकारी गुण होते हैं।

इसके अलावा, परीक्षण एंटी-ब्रोमोडॉक्सीयूरिडिन एंटीबॉडी और K14 के साथ किया गया था, जो एपिडर्मल बेसल परत का एक मार्कर है। नमूना # 255 ने एक अनूठा परिणाम दिखाया - पॉलिएस्टर आधार की सतह पर K14 और BrdU की उपस्थिति। इससे पता चलता है कि प्रोलिफेरिंग कोशिकाएं आधार की सतह को बेसल परत के रूप में पहचानती हैं।

अगला परीक्षण YAP प्रोटीन था, जो प्रतिलेखन (डीएनए के माध्यम से कोशिकाओं में आरएनए संश्लेषण) के नियमन में शामिल है। नियंत्रण नमूने में, वाईएपी विशेष रूप से बेसल परत ( 3 ई ) पर स्थित था। लेकिन परीक्षण के नमूने में, YAP तंतुओं ( 3F , लाल तीर) के आसपास मौजूद था।

वाईएपी प्रोटीन की गतिविधि के विश्लेषण में छोटे हस्तक्षेप करने वाले आरएनए का उपयोग तीन आयामी संरचना ( 3 जी और 3 एच ) की अस्थिरता के कारण हुआ।

छोटे इंटरफेरिंग आरएनए का उपयोग करके नियंत्रण नमूने में, वाईएपी प्रोटीन को फाइबर ( 3 आई ) के आसपास व्यक्त किया गया था, और परीक्षण के नमूने में, अभिव्यक्ति नगण्य ( 3 जे ) थी। लेकिन, इसके बावजूद, छोटे हस्तक्षेप करने वाले आरएनए के उपयोग ने केराटिनोसाइट्स के प्रसार को प्रभावित नहीं किया।

अध्ययन की बारीकियों और विवरण के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं दृढ़ता से अनुशंसा करता हूं कि आप अनुसंधान समूह की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्री देखें ।

उपसंहार

इस अध्ययन ने जैव रसायन और गणित को संयुक्त किया। यदि वैज्ञानिक विश्वसनीय और पर्याप्त परिणाम प्राप्त करने का इरादा रखते हैं, तो निश्चित रूप से, ये दो विज्ञान जोड़े हैं। इस मामले में गणितीय मॉडलिंग के उपयोग ने एपिडर्मिस को बढ़ने के लिए तरंग जैसे आधार के महत्व को समझने में मदद की, जो जीवित कोशिकाओं की संख्या में काफी वृद्धि करता है और, परिणामस्वरूप, नमूना की मोटाई और ताकत।

यह काम, एक बड़ी हद तक, सिर्फ गणितीय मॉडल की संचालन क्षमता का परीक्षण करने के उद्देश्य से किया गया था, न कि स्वयं एपिडर्मिस के बढ़ने की तकनीक। पहले से शोधकर्ताओं ने जो कठिनाइयों का सामना किया है, उन्हें अब कोशिकाओं को संश्लेषित करने और एपिडर्मिस को एक ऐसे रूप में विकसित करने के तरीकों के बारे में अधिक विस्तार से अध्ययन करने से नहीं रोका जा सकेगा जो वास्तविक रूप से जितना संभव हो उतना करीब होगा।

इस काम के परिणाम ट्रांसप्लांटोलॉजी के लिए और संपूर्ण रूप से मानव त्वचा के अध्ययन के लिए दोनों के बजाय एक महत्वपूर्ण कदम बन सकते हैं, साथ ही अन्य शोधकर्ताओं को प्राथमिकता के महत्व के उपकरण के रूप में गणितीय मॉडलिंग का अधिक सक्रिय रूप से उपयोग करने के लिए प्रोत्साहित करते हैं।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और काम करने का सप्ताह अच्छा हो, दोस्तों।

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