Matemática da pele: epiderme crescendo com base na modelagem matemática

O corpo humano pode ser comparado com segurança a um mecanismo muito complexo e, às vezes, confuso, que não foi acompanhado de instruções; portanto, os próprios cientistas precisam entender tudo. Nosso corpo possui muitos sistemas, do nervoso ao imunológico, cada um dos quais desempenha suas funções específicas e se liga a outros sistemas, o que permite que o corpo funcione com eficiência. Na comunidade de pesquisa, a maior parte da atenção recai sobre o sistema nervoso. Todos são atraídos para revelar os segredos do nosso cérebro, que muitas vezes são comparados por mistério ao Universo. Mas outros sistemas não são menos interessantes, complexos e importantes. Hoje vamos considerar um estudo que combina matemática, bioquímica e muita curiosidade. E o objetivo deste estudo é a epiderme, isto é, a pele humana. Como a matemática ajudou os cientistas a entender o que lhes faltava no processo de crescimento da pele e o que obtiveram como resultado? Tentaremos responder a essas e outras perguntas com a ajuda do relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Armadura Vitalícia

A pele humana não é tão simples quanto parece à primeira vista. Alguém pode considerar isso apenas uma concha, e alguém faz uma "bolsa de osso". Mas deixamos de lado as declarações do robô mais imoral do mundo, chamado Bender, e nos aprofundamos na estrutura da pele humana.

Em primeiro lugar, a pele é o maior órgão do corpo humano (não afetamos outras criaturas, dado o estudo em consideração), consistindo em três subsistemas principais: epiderme (camada externa), derme (tecido conjuntivo entre a camada superior da pele e órgãos) e gordura subcutânea fibra (camada termorreguladora e protetora com a função de "armazenamento" de nutrientes).


A estrutura da pele humana.

Como no estudo os cientistas "conjuram" a epiderme, consideraremos essa camada com mais detalhes.

A epiderme humana, se você gosta de anatomia e culinária, assemelha-se a um bolo de Napoleão, pois consiste em cinco camadas. Em cada uma das camadas, existem células que são os principais "sujeitos" do estudo que estamos considerando - queratinócitos. Na epiderme, eles geralmente ocupam a parte do leão - cerca de 90% de todas as células.



As funções dos queratinócitos variam dependendo de pertencer a uma camada específica:

• basal - a camada mais próxima da derme, na qual células como os queratinócitos são chamadas basais, o que é bastante lógico. Essas células, em conjunto com as células-tronco, estão envolvidas em um processo importante - a regeneração epidérmica. Também no citoplasma dos queratinócitos existem melanossomas - grânulos de melanina obtidos de melanócitos (células) que nos protegem da radiação ultravioleta.
• a camada pontiaguda ganhou seu nome espinhoso devido à estrutura incomum de células de queratinócitos tendo processos semelhantes a espinhos para conexão entre si. No citoplasma dos queratinócitos locais, a queratina é sintetizada, a qual está envolvida na formação de cabelos e unhas. Do ponto de vista biológico, a queratina é inferior em força física apenas à quitina. Além disso, existem queratinossomas que tornam nossa pele hidrofóbica.
• camada granular - os queratinócitos também possuem queratinossomas, ou seja, impedem a desidratação da pele. Além disso, os queratinócitos nessa camada sintetizam algumas proteínas.
• a camada brilhante é assim chamada, porque a microscopia não revela células, e a própria camada se parece com uma faixa uniforme de rosa. Assim é - os núcleos, organelas e compostos intercelulares de queratinócitos nesta camada são destruídos. Nesse caso, existe uma substância que liga queratinócitos (ou o que resta deles). Torna a pele firme.
• tesão - a camada externa da epiderme em contato com o meio ambiente. E pode ser chamado de cemitério de células real, porque é formado a partir de queratinócitos mortos (chamados escamas córneas), que são constantemente atualizados. Isso fornece proteção eficaz contra fatores externos.

Célula de queratinócitos

Também vale mencionar o fato de os queratinócitos estarem envolvidos na cicatrização de feridas. Se a pele estiver danificada, as células dos queratinócitos começam a se dividir ativamente e a migrar para a área da lesão onde ocorre a epitelização, ou seja, a ferida começa a crescer demais.

Como podemos entender a partir dessas camadas, existem muitos queratinócitos e eles desempenham funções diferentes quando trabalham em conjunto com células de um tipo diferente. Soldados universais entre as células da epiderme, nada mais.

Qual é o problema da pesquisa, você pergunta? Mas o fato de a camada normal da epiderme humana ter cerca de 100 microns de espessura, mas a camada artificial (criada pela passagem dos queratinócitos) é de apenas 10 microns.

Células de passagem * - seleção do número necessário de células para seu crescimento adicional em um substrato (por exemplo, em uma placa de Petri).

Tal epiderme seria simplesmente ineficaz, como um tanque de papel machê. E aqui a matemática pode ajudar, a saber, um modelo matemático. Falaremos mais sobre isso.

Base de estudo

Os cientistas usaram modelos matemáticos como base para o processo de criação da epiderme humana. No mesmo estudo, uma nova técnica para homeostase epidérmica foi desenvolvida, baseada exatamente no modelo matemático de queratinócitos obtidos de células-tronco distribuídas na camada basal. Vale ressaltar que o modelo também levou em consideração processos dinâmicos na epiderme (migração e diferenciação de células da pele) e processos intracelulares associados ao Ca ²⁺ .

Esse modelo matemático permitiu compreender que a distribuição de células-tronco e a estrutura das membranas basais que separam o tecido conjuntivo do epitélio desempenham um papel crucial na síntese da epiderme da espessura e estrutura necessárias.

Se falamos mais especificamente sobre um indicador como espessura, então são as membranas do porão que desempenham o papel principal. Para alcançar o resultado desejado, os cientistas aplicaram modulação sinusoidal para formar a membrana basal, alterando a amplitude e o comprimento de onda. Como resultado, verificou-se que, para a estrutura estável da epiderme da espessura necessária, são necessárias membranas basais onduladas com uma grande amplitude e um comprimento de onda curto. Ou seja, a ondulação da camada papilar localizada acima da derme e sob a epiderme é crítica para a criação de um modelo da epiderme que esteja próximo de parâmetros fisiológicos reais.

Além da espessura e resistência, a pele humana também possui hidrofobicidade, que depende da espessura do estrato córneo. Consequentemente, a espessura dessa camada também deve ser levada em consideração no modelo experimental para uma recriação mais realista da epiderme.

Combinando tudo o que é desejado e necessário, os cientistas projetaram o modelo para demonstrar a possibilidade de criar uma epiderme próxima da realidade, incluindo o estrato córneo e a estrutura lipídica lamelar intercelular. Tudo isso foi realizado semeando queratinócitos passivados na superfície ondulada da base de poliéster em placas de Petri abertas.

Os resultados foram muito bem-sucedidos, o que confirmou não apenas a utilidade e a correção desse método de crescimento, mas também a importância do uso de modelos matemáticos como ferramentas para prever processos.

Resultados da pesquisa


Imagem Nº 1

As imagens acima mostram os resultados da simulação e os resultados do crescimento epidérmico com base nessa simulação.

Os pesquisadores chamam nossa atenção para duas imagens muito reveladoras ( 1A e 1B ). No primeiro caso, há uma membrana basal plana, no segundo - uma membrana sinusoidal, que permitiu aumentar a espessura e a força da epiderme.

Mas este é apenas um modelo, embora com resultados muito tentadores, para os quais é necessário estabelecer quais parâmetros a base para a semeadura (poliéster) deve ter. Para isso, foi analisada a estrutura da camada papilar, cuja espessura é de 51 μm em uma pessoa e o intervalo de ondulação é de 105 μm (pele na cavidade abdominal foi analisada, a idade média dos participantes do estudo foi de 36,3 anos).

A imagem 1C mostra as imagens (a cor foi obtida devido à hematoxilina e eosina) da epiderme obtida com diferentes variantes da base (# 200, # 255, # 300, # 350, # 460 e # 480). No topo da imagem (“ Controle ”), a epiderme sem base ondulada atua como um grupo de controle para comparar os resultados.

As mais interessantes para os cientistas foram as opções 200, 255 e 300, que mostraram boa espessura em comparação com a amostra de controle. A camada viva da epiderme baseada no número 255 era mais espessa do que com base nos números 200 e 300. Portanto, foi essa opção que foi escolhida para um estudo mais aprofundado.

Uma breve conclusão é que a base ondulatória para a semeadura leva a um aumento no número de células vivas da epiderme e ao seu espessamento e compactação, o que aproxima a amostra crescida da epiderme em termos reais.


Imagem No. 2

As proteínas estruturais filagrina, loricrina, claudina 1 e ZO-1 desempenham um dos papéis-chave na epiderme. Para verificar se a expressão (síntese) dessas proteínas prosseguiu normalmente, os cientistas realizaram um estudo imuno-histoquímico da epiderme cultivada com base no número 255.

Filagrina ( 2A ), loricrina ( 2B ) e ZO-1 ( 2C ) foram expressas na camada superior da epiderme. E a expressão da claudina 1 estava na membrana celular ao longo de todo o plano da epiderme ( 2D ).

Preste atenção na imagem 2G, na qual uma seta preta e a marca "*" marcam uma determinada camada - tesão. Isso sugere que essa epiderme sintetizada possui boas características de proteção (de fatores externos).

Também foi realizado um estudo imuno-histoquímico com a epiderme baseada no número 300 para comparar com a epiderme nº 255. A expressão de claudina 1 e ZO-1 foi detectada em ambas as variantes, mas no # 255 foi significativamente mais forte. Para confirmar isso, outro teste foi realizado - medindo a perda de água transepidérmica do controle e as amostras # 255. O gráfico dos resultados deste teste ( 2H ) demonstra claramente que a perda de água da amostra nº 255 é muito menor, o que mais uma vez confirma suas altas características de barreira (e proteção).


Imagem No. 3

A coloração da amostra com anticorpos anti-bromodeoxiuridina (anti-BrdU) mostrou que as células em proliferação estão presentes apenas na parte inferior da amostra de controle ( 3A ), enquanto na amostra de teste # 255 as mesmas células foram encontradas nas fibras da base de poliéster ( 3B , setas pretas).

Os pesquisadores também testaram a proteína CSPG4, que desempenha um papel muito importante na interação da célula e do substrato. A análise mostrou a presença dessas células nas fibras base ( 3D , setas brancas), o que indica a presença de células nas fibras, algumas das quais com propriedades proliferativas.

Além disso, o teste foi realizado com anticorpos anti-bromodeoxiuridina e K14, que é um marcador da camada basal da epiderme. A amostra nº 255 mostrou um resultado único - a presença de K14 e BrdU na superfície da base de poliéster. Isso sugere que as células em proliferação reconhecem a superfície da base como uma camada basal.

O próximo teste foi a proteína YAP, que está envolvida na regulação da transcrição (síntese de RNA nas células através do DNA). Na amostra de controle, o YAP foi localizado exclusivamente na camada basal ( 3E ). Mas na amostra de teste, o YAP estava presente ao redor das fibras ( 3F , setas vermelhas).

O uso de pequenos RNAs interferentes na análise da atividade da proteína YAP levou à desestabilização da estrutura tridimensional ( 3G e 3H ).

Na amostra de controle usando pequenos RNAs interferentes, a proteína YAP foi expressa em torno das fibras ( 3I ) e, na amostra de teste, a expressão foi desprezível ( 3J ). Mas, apesar disso, o uso de pequenos RNAs interferentes não afetou a proliferação de queratinócitos.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances e detalhes do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa e os materiais adicionais a ele.

Epílogo

Este estudo combinou bioquímica e matemática. Obviamente, essas duas ciências costumam ser em pares se os cientistas pretendem obter resultados confiáveis ​​e adequados. O uso da modelagem matemática nesse caso ajudou a entender a importância da base ondulatória para o crescimento da epiderme, o que aumenta significativamente o número de células vivas e, como conseqüência, a espessura e a resistência da amostra.

Este trabalho, em maior grau, teve como objetivo testar a operacionalidade apenas do modelo matemático, e não a técnica de crescimento da própria epiderme. As dificuldades que os pesquisadores encontraram anteriormente não os impedirão de continuar estudando com mais detalhes os métodos para sintetizar células e aumentar a epiderme de uma forma que seja o mais próxima possível da real.

Os resultados deste trabalho podem muito bem se tornar um passo bastante importante para a transplantologia e para estudos da pele humana como um todo, além de incentivar outros pesquisadores a usar mais ativamente a modelagem matemática como ferramenta de importância prioritária.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal.

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