Matematika kulit: epidermis tumbuh berdasarkan pemodelan matematika

Tubuh manusia dapat dengan aman dibandingkan dengan mekanisme yang sangat kompleks dan terkadang membingungkan, yang tidak disertai dengan instruksi, oleh karena itu, para ilmuwan sendiri harus memahami segalanya. Tubuh kita memiliki banyak sistem, dari saraf hingga kekebalan, yang masing-masing menjalankan fungsi spesifiknya dan mengikat ke sistem lain, yang memungkinkan tubuh berfungsi secara efisien. Dalam komunitas penelitian, bagian terbesar perhatian jatuh pada sistem saraf. Semua orang tertarik untuk mengungkapkan rahasia otak kita, yang sering dibandingkan dengan misteri ke Semesta. Tetapi sistem lain tidak kalah menarik, kompleks dan penting. Hari ini kita akan mempertimbangkan studi yang menggabungkan matematika, biokimia dan banyak keingintahuan. Dan tujuan dari penelitian ini adalah epidermis, yaitu kulit manusia. Bagaimana matematika membantu para ilmuwan memahami kekurangan mereka dalam proses menumbuhkan kulit dan apa yang mereka dapatkan sebagai hasilnya? Kami akan mencoba menjawab pertanyaan ini dan pertanyaan lainnya dengan bantuan laporan dari kelompok penelitian. Ayo pergi.

Armor Seumur Hidup

Kulit manusia tidak sesederhana yang terlihat pada pandangan pertama. Seseorang dapat menganggapnya hanya cangkang, dan seseorang melakukan "tas tulang". Namun kami mengabaikan pernyataan robot paling tidak bermoral di dunia bernama Bender dan mempelajari struktur kulit manusia.

Pertama, kulit adalah organ terbesar dari tubuh manusia (kita tidak akan memengaruhi makhluk lain, mengingat penelitian ini sedang dipertimbangkan), yang terdiri dari tiga subsistem utama: epidermis (lapisan luar), dermis (jaringan ikat antara lapisan atas kulit dan organ) dan lemak subkutan serat (lapisan termoregulasi dan pelindung dengan fungsi "penyimpanan" nutrisi).


Struktur kulit manusia.

Karena dalam penelitian ini, para ilmuwan "menyihir" epidermis, kita akan mempertimbangkan lapisan ini secara lebih rinci.

Epidermis manusia, jika Anda sama-sama menyukai anatomi dan memasak, menyerupai kue Napoleon, karena terdiri dari lima lapisan. Di setiap lapisan ada sel yang merupakan "subjek" utama dalam penelitian yang kami pertimbangkan - keratinosit. Dalam epidermis, mereka umumnya menempati bagian terbesar - sekitar 90% dari semua sel.



Fungsi keratinosit bervariasi tergantung pada milik lapisan tertentu:

• basal - lapisan yang paling dekat dengan dermis, di mana sel-sel seperti keratinosit disebut basal, yang cukup logis. Sel-sel ini, bersama dengan sel punca, terlibat dalam proses penting - regenerasi epidermis. Juga di sitoplasma keratinosit terdapat melanosom - butiran melanin yang diperoleh dari melanosit (sel) yang melindungi kita dari radiasi ultraviolet.
• lapisan runcing mendapat nama berduri karena struktur sel keratinosit yang tidak biasa memiliki proses seperti lonjakan untuk koneksi satu sama lain. Dalam sitoplasma keratinosit lokal, keratin disintesis, yang terlibat dalam pembentukan rambut dan kuku. Dari sudut pandang biologis, keratin lebih rendah kekuatan fisiknya daripada chitin. Selain itu, ada keratinosom yang membuat hidrofobik kulit kita.
• lapisan granular - keratinosit juga memiliki keratinosom, yaitu, mereka mencegah dehidrasi kulit. Juga, keratinosit dalam lapisan ini mensintesis beberapa protein.
• lapisan mengkilap dinamai demikian, karena mikroskopi tidak mengungkapkan sel, dan lapisan itu sendiri terlihat seperti strip merah muda yang seragam. Begitulah - inti, organel dan senyawa antar sel keratinosit dalam lapisan ini hancur. Dalam hal ini, ada zat yang mengikat keratinosit (atau apa yang tersisa dari mereka). Itu membuat kulit kencang.
• horny - lapisan luar epidermis yang bersentuhan dengan lingkungan. Dan itu bisa disebut pemakaman sel nyata, karena itu terbentuk dari keratinosit mati (disebut sisik terangsang), yang terus diperbarui. Ini memberikan perlindungan yang efektif terhadap faktor-faktor eksternal.

Sel keratinosit

Perlu juga disebutkan fakta bahwa keratinosit terlibat dalam penyembuhan luka. Jika kulit rusak, sel-sel keratinosit mulai aktif membelah dan bermigrasi ke daerah cedera di mana epitelisasi terjadi, yaitu, luka mulai tumbuh terlalu besar.

Seperti yang dapat kita pahami dari lapisan ini, ada banyak keratinosit dan mereka melakukan fungsi yang berbeda ketika mereka bekerja bersama dengan sel-sel dari jenis yang berbeda. Tentara universal di antara sel-sel epidermis, tidak ada yang lain.

Apa masalah penelitian, Anda bertanya? Tetapi fakta bahwa lapisan normal epidermis manusia adalah sekitar 100 mikron tebal, tetapi yang buatan (dibuat dengan melewati keratinosit) hanya 10 mikron.

Passaging cell * - pemilihan jumlah sel yang diperlukan untuk pertumbuhan lebih lanjut pada substrat (misalnya, dalam cawan Petri).

Epidermis semacam itu tidak akan efektif, seperti tangki bubur kertas. Dan di sini matematika dapat membantu, yaitu model matematika. Kami akan membicarakannya lebih lanjut.

Dasar studi

Para ilmuwan telah menggunakan model matematika sebagai dasar untuk proses menciptakan epidermis manusia. Dalam studi yang sama, teknik baru untuk homeostasis epidermal dikembangkan, yang didasarkan pada model matematis keratinosit yang diperoleh dari sel punca yang didistribusikan di lapisan basal. Perlu dicatat bahwa model ini juga memperhitungkan proses dinamis dalam epidermis (migrasi dan diferensiasi sel kulit) dan proses intraseluler yang terkait dengan Ca ²⁺ .

Model matematika ini memungkinkan untuk memahami bahwa distribusi sel punca dan struktur membran basement yang memisahkan jaringan ikat dari epitel berperan penting dalam sintesis epidermis dengan ketebalan dan struktur yang diperlukan.

Jika kita berbicara lebih spesifik tentang indikator seperti ketebalan, maka itu adalah membran dasar yang memainkan peran utama. Untuk mencapai hasil yang diinginkan, para ilmuwan menerapkan modulasi sinusoidal untuk membentuk membran dasar, mengubah amplitudo dan panjang gelombang. Akibatnya, ditemukan bahwa untuk struktur stabil epidermis dengan ketebalan yang dibutuhkan, diperlukan membran basal bergelombang dengan amplitudo besar dan panjang gelombang pendek. Yaitu, kerutan lapisan papiler yang terletak di atas dermis dan di bawah epidermis sangat penting untuk membuat model epidermis yang dekat dengan parameter fisiologis nyata.

Selain ketebalan dan kekuatan, kulit manusia juga memiliki hidrofobisitas, yang tergantung pada ketebalan stratum corneum. Dengan demikian, ketebalan lapisan ini juga harus diperhitungkan dalam model eksperimental untuk rekreasi epidermis yang lebih realistis.

Menggabungkan semua yang diinginkan dan diperlukan, para ilmuwan merancang model untuk menunjukkan kemungkinan menciptakan epidermis yang dekat dengan kenyataan, termasuk stratum corneum dan struktur lipid lamelar antar sel. Semua ini diwujudkan dengan menyemai keratinosit pasif pada permukaan bergelombang dari dasar poliester dalam cawan Petri terbuka.

Hasilnya sangat sukses, yang menegaskan tidak hanya kegunaan dan kebenaran metode pertumbuhan ini, tetapi juga pentingnya menggunakan model matematika sebagai alat untuk memprediksi proses.

Hasil penelitian


Gambar No. 1

Gambar di atas menunjukkan hasil simulasi dan hasil pertumbuhan epidermis berdasarkan simulasi ini.

Para peneliti menarik perhatian kita pada dua gambar yang sangat terbuka ( 1A dan 1B ). Dalam kasus pertama, ada membran basement datar, yang kedua - membran sinusoidal, yang memungkinkan untuk meningkatkan ketebalan dan kekuatan epidermis.

Tapi ini hanya model, meskipun dengan hasil yang sangat menggoda, untuk itu perlu menetapkan parameter apa yang harus dimiliki oleh dasar penaburan (poliester). Untuk ini, struktur lapisan papiler dianalisis, ketebalannya adalah 51 μm dalam diri seseorang dan interval "kegelisahan" adalah 105 μm (kulit pada rongga perut dianalisis, usia rata-rata peserta penelitian adalah 36,3 tahun).

Gambar 1C menunjukkan gambar (warna diperoleh karena hematoxylin dan eosin) dari epidermis yang diperoleh dengan varian dasar yang berbeda (# 200, # 255, # 300, # 350, # 350, # 460 dan # 480). Di bagian paling atas gambar (" Kontrol "), epidermis tanpa pangkalan bergelombang bertindak sebagai kelompok kontrol untuk membandingkan hasilnya.

Yang paling menarik bagi para ilmuwan adalah opsi # 200, # 255 dan # 300, yang menunjukkan ketebalan yang baik dibandingkan dengan sampel kontrol. Lapisan hidup epidermis berdasarkan # 255 lebih tebal daripada berdasarkan # 200 dan # 300. Oleh karena itu, opsi inilah yang dipilih untuk studi lebih lanjut.

Kesimpulan singkatnya adalah bahwa dasar seperti gelombang untuk pembenihan mengarah pada peningkatan jumlah sel hidup epidermis dan penebalan dan pemadatannya, yang membawa sampel yang tumbuh lebih dekat ke epidermis secara nyata.


Gambar No. 2

Protein struktural filaggrin, loricrin, claudine 1 dan ZO-1 memainkan salah satu peran kunci dalam epidermis. Untuk memeriksa apakah ekspresi (sintesis) protein ini berjalan normal, para ilmuwan melakukan studi imunohistokimia terhadap epidermis yang tumbuh berdasarkan # 255.

Filaggrin ( 2A ), loricrin ( 2B ) dan ZO-1 ( 2C ) diekspresikan di lapisan atas epidermis. Dan ekspresi claudine 1 ada di membran sel di sepanjang seluruh bidang epidermis ( 2D ).

Perhatikan gambar 2G, di mana panah hitam dan tanda "*" menandai layer tertentu - terangsang. Ini menunjukkan bahwa epidermis yang disintesis ini memiliki karakteristik pelindung yang baik (dari faktor eksternal).

Sebuah studi imunohistokimia juga dilakukan dengan epidermis berdasarkan # 300 untuk dibandingkan dengan epidermis # 255. Ekspresi claudine 1 dan ZO-1 terdeteksi pada kedua varian, tetapi pada # 255 secara signifikan lebih kuat. Dalam konfirmasi ini, tes lain dilakukan - mengukur kehilangan air transepidermal dari kontrol dan sampel # 255. Grafik hasil pengujian ini ( 2H ) jelas menunjukkan bahwa kehilangan air sampel # 255 jauh lebih rendah, yang sekali lagi menegaskan karakteristik penghalang yang tinggi (dan pelindung).


Gambar No. 3

Pewarnaan sampel dengan antibodi anti-bromodeoxyuridine (anti-BrdU) menunjukkan bahwa sel-sel yang berproliferasi hanya ada di bagian bawah sampel kontrol ( 3A ), sedangkan dalam sampel uji # 255 sel yang sama ditemukan pada serat-serat dasar poliester ( 3B , panah hitam).

Para peneliti juga menguji protein CSPG4, yang memainkan peran yang sangat penting dalam interaksi sel dan substrat. Analisis menunjukkan keberadaan sel-sel ini pada serat dasar ( 3D , panah putih), yang menunjukkan keberadaan sel pada serat, beberapa di antaranya memiliki sifat berkembang biak.

Selain itu, pengujian dilakukan dengan antibodi anti-bromodeoxyuridine dan K14, yang merupakan penanda lapisan basal epidermal. Sampel # 255 menunjukkan hasil yang unik - keberadaan K14 dan BrdU pada permukaan dasar poliester. Ini menunjukkan bahwa sel-sel yang berkembang biak mengenali permukaan dasar sebagai lapisan basal.

Tes selanjutnya adalah protein YAP, yang terlibat dalam regulasi transkripsi (sintesis RNA dalam sel melalui DNA). Dalam sampel kontrol, YAP terletak secara eksklusif pada lapisan basal ( 3E ). Tetapi dalam sampel uji, YAP hadir di sekitar serat ( 3F , panah merah).

Penggunaan RNA kecil yang mengganggu dalam analisis aktivitas protein YAP menyebabkan destabilisasi struktur tiga dimensi ( 3G dan 3H ).

Dalam sampel kontrol menggunakan RNA kecil yang mengganggu, protein YAP diekspresikan di sekitar serat ( 3I ), dan dalam sampel uji, ekspresi diabaikan ( 3J ). Namun, meskipun demikian, penggunaan RNA kecil yang mengganggu tidak memengaruhi proliferasi keratinosit.

Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa dan perincian studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan kelompok riset dan bahan - bahan tambahan untuknya.

Epilog

Studi ini menggabungkan biokimia dan matematika. Tentu saja, kedua ilmu ini sering berpasangan jika para ilmuwan bermaksud untuk mendapatkan hasil yang andal dan memadai. Penggunaan pemodelan matematika dalam kasus ini membantu untuk memahami pentingnya dasar seperti gelombang untuk menumbuhkan epidermis, yang secara signifikan meningkatkan jumlah sel hidup dan, sebagai konsekuensinya, ketebalan dan kekuatan sampel.

Karya ini, untuk tingkat yang lebih besar, bertujuan menguji operabilitas hanya model matematika, dan bukan teknik menumbuhkan epidermis itu sendiri. Kesulitan-kesulitan yang sebelumnya ditemui para peneliti tidak akan lagi mencegah mereka untuk terus mempelajari secara lebih rinci metode-metode untuk mensintesis sel dan menumbuhkan epidermis dalam bentuk yang sedekat mungkin dengan yang asli.

Hasil pekerjaan ini mungkin menjadi langkah maju yang agak penting baik untuk transplantasi dan untuk studi kulit manusia secara keseluruhan, serta mendorong peneliti lain untuk lebih aktif menggunakan pemodelan matematika sebagai alat prioritas penting.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?