可以将人体安全地与一个非常复杂的，有时是令人困惑的机制进行比较，这种机制没有附带说明，因此，科学家们自己必须了解一切。 我们的身体有许多系统，从神经系统到免疫系统，每个系统都执行其特定的功能并与其他系统绑定，从而使身体有效发挥功能。 在研究界，大部分注意力都集中在神经系统上。 每个人都被吸引来揭示我们大脑的秘密，而这个秘密常常被与宇宙相提并论。 但是其他系统同样有趣，复杂且重要。 今天，我们将考虑一项结合了数学，生物化学和许多好奇心的研究。 这项研究的目标是表皮，即人体皮肤。 数学如何帮助科学家了解他们在皮肤生长过程中缺乏的东西，以及从中得到了什么？ 我们将在研究小组的报告的帮助下尝试回答这些问题。 走吧
终生盔甲人的皮肤并不像乍看起来那样简单。 有人可以认为它只是一个壳，有人可以做一个“骨头袋”。 但是我们撇开了世界上最不道德的机器人Bender的陈述，而深入研究了人类皮肤的结构。
首先，皮肤是人体最大的器官（鉴于正在研究的内容，我们不会影响其他生物），它由三个主要子系统组成：表皮（外层），真皮（皮肤上层与器官之间的结缔组织）和皮下脂肪纤维（具有“养分”养分功能的热调节和保护层）。
人体皮肤的结构。由于在这项研究中，科学家们“想到”了表皮，因此我们将更详细地考虑这一层。
如果您同样喜欢解剖学和烹饪，那么人的表皮就像拿破仑蛋糕，因为它由五层组成。 在我们正在考虑的研究中，每一层都有细胞是主要的“受试者”-角质形成细胞。 在表皮中，它们通常占据最大份额-约占所有细胞的90％。
角质形成细胞的功能因属于特定层而异：
- 基底层 -最接近真皮的一层，其中诸如角质形成细胞的细胞称为基底层，这是很合逻辑的。 这些细胞与干细胞一起参与重要的过程-表皮再生。 在角质形成细胞的细胞质中也有黑素体-从黑素细胞（细胞）获得的黑色素颗粒可以保护我们免受紫外线辐射。
- 尖刺层之所以得名，是因为角质形成细胞细胞具有异常的结构，这种结构具有相互连接的尖峰状过程。 在局部角质形成细胞的细胞质中，角蛋白被合成，其参与头发和指甲的形成。 从生物学的角度来看，角蛋白的物理强度仅次于几丁质。 除此之外，还有一些角质蛋白使我们的皮肤疏水。
- 颗粒层-角质形成细胞也有角质体，也就是说，它们可以防止皮肤脱水。 同样，该层中的角质形成细胞合成一些蛋白质。
- 之所以命名有光泽的层，是因为显微镜无法显示细胞，并且该层本身看起来像一条均匀的粉红色条。 就是这样-这层中的角质形成细胞的细胞核，细胞器和细胞间化合物被破坏了。 在这种情况下，存在一种结合角质形成细胞（或其剩余物）的物质。 它使皮肤紧致。
- 角质 -表皮的外层与环境接触。 它可以称为真实细胞墓地，因为它是由不断更新的死角质形成细胞（称为角质鳞片）形成的。 这提供了针对外部因素的有效保护。
角质形成细胞还值得一提的是，角质形成细胞参与伤口愈合。 如果皮肤受损，则角质形成细胞开始活跃分裂并迁移到发生上皮的损伤区域，即伤口开始过度生长。
从这些层我们可以了解，有许多角质形成细胞，当它们与不同类型的细胞一起工作时，它们执行不同的功能。 表皮细胞间的普世士兵，仅此而已。
您问什么是研究问题？ 但是，人表皮正常层的厚度约为100微米，而人工表层（由传代角质形成细胞产生）只有10微米。
传代细胞* -选择所需数量的细胞以使其在底物上（例如在培养皿中）进一步生长。
这样的表皮将完全无效，就像纸制的马桶一样。 数学在这里可以提供帮助，即数学模型。 我们将进一步讨论。
学习基础科学家已经使用数学模型作为创建人类表皮过程的基础。 在同一项研究中，开发了一种用于表皮稳态的新技术，该技术正是基于从分布在基底层的干细胞获得的角质形成细胞的数学模型。 值得注意的是，该模型还考虑了表皮中的动态过程（皮肤细胞的迁移和分化）以及与Ca
2+相关的细胞内过程。
该数学模型使我们有可能理解干细胞的分布以及将结缔组织与上皮分开的基底膜的结构在所需厚度和结构的表皮合成中起着至关重要的作用。
如果我们更具体地讨论诸如厚度之类的指标，那么起主要作用的是基底膜。 为了获得理想的结果，科学家采用正弦调制来形成基底膜，从而改变振幅和波长。 结果发现，为了使表皮具有所需厚度的稳定结构，需要大振幅且短波长的波浪状基膜。 也就是说，位于真皮上方和表皮之下的乳头层的波纹度对于创建接近真实生理参数的表皮模型至关重要。
除厚度和强度外，人体皮肤还具有疏水性，这取决于角质层的厚度。 因此，在实验模型中还应考虑该层的厚度，以使表皮更真实地再生。
结合所有需要和必要的条件，科学家设计了该模型，以演示创建接近现实的表皮（包括角质层和细胞间层状脂质结构）的可能性。 所有这些都是通过在开放的培养皿中将钝化的角质形成细胞播种在聚酯基底的波浪形表面上来实现的。
结果非常成功，这不仅证实了这种生长方法的有用性和正确性，而且证实了使用数学模型作为预测过程的工具的重要性。
研究成果
图片编号1上面的图像显示了模拟结果以及基于该模拟的表皮生长结果。
研究人员将我们的注意力吸引到两个非常有启发性的图像（
1A和
1B ）上。 在第一种情况下，有一个平坦的基底膜，在第二种情况下是一个正弦形膜，可以增加表皮的厚度和强度。
但这只是一个模型，尽管结果很诱人，但有必要确定播种（聚酯）基础应具有哪些参数。 为此，分析了乳头层的结构，人的乳头层厚度为51μm，“波纹度”间隔为105μm（分析了腹腔皮肤，研究参与者的平均年龄为36.3岁）。
图像
1C示出了所获得的具有不同碱基基础变体（＃200，＃255，＃300，＃350，＃460和＃480）的表皮的图像（由于苏木精和曙红而获得颜色）。 在图像的最上方（“
对照 ”），没有波浪状基部的表皮充当比较结果的对照组。
对科学家而言，最有趣的是＃200，＃255和＃300选项，与对照样品相比，它们显示出良好的厚度。 基于＃255的表皮活层比基于＃200和＃300的表皮活层厚。 因此，选择了此选项以进行进一步研究。
一个简短的结论是，播种的波状基础导致表皮中活细胞数量的增加以及其增厚和压实，这使生长的样品实际接近表皮。
图片编号2结构蛋白丝蛋白，loricrin，claudine 1和ZO-1在表皮中起关键作用之一。 为了检查这些蛋白质的表达（合成）是否正常进行，科学家对以＃255为基础生长的表皮进行了免疫组织化学研究。
在表皮的上层中表达了丝蛋白（
2A ），洛里林（
2B ）和ZO-1（
2C ）。 claudine 1的表达在表皮的整个平面的细胞膜中（
2D ）。
注意2G图像，在该图像上，黑色箭头和“ *”标记表示某个层-角质。 这表明这种合成的表皮具有良好的保护作用（不受外界因素影响）。
还对基于＃300的表皮与表皮＃255进行了免疫组织化学研究。 在两个变体中均检测到了claudine 1和ZO-1的表达，但在＃255中却明显更强。 为了证实这一点，还进行了另一项测试-测量对照样品和＃255样品的经皮水分损失。 该测试结果的图表（
2H ）清楚地表明，＃255样品的失水量要低得多，这再次证实了其高阻隔（和防护）特性。
图片编号3用抗溴脱氧尿苷抗体（anti-BrdU）对样品染色表明，增殖细胞仅存在于对照样品的下部（
3A ），而在测试样品＃255中，在聚酯基底的纤维上发现了相同的细胞（
3B ，黑色箭头）。
研究人员还测试了CSPG4蛋白，它在细胞和底物的相互作用中起着非常重要的作用。 分析表明这些细胞存在于基础纤维上（
3D ，白色箭头），这表明纤维上存在细胞，其中一些具有增殖特性。
此外，还使用抗溴脱氧尿苷抗体和作为表皮基底层标记的K14进行了测试。 255号样品显示出独特的结果-聚酯基体表面上存在K14和BrdU。 这表明增殖细胞将碱基的表面识别为基底层。
下一个测试是YAP蛋白，它参与转录的调控（通过DNA在细胞中合成RNA）。 在对照样品中，YAP仅位于基底层（
3E ）上。 但是在测试样品中，纤维周围存在YAP（
3F ，红色箭头）。
在YAP蛋白活性分析中使用小分子干扰RNA会导致三维结构（
3G和
3H ）不稳定。
在使用小干扰RNA的对照样品中，YAP蛋白在纤维周围表达（
3I ），而在测试样品中，表达可忽略不计（
3J ）。 但是，尽管如此，使用小的干扰RNA并不会影响角质形成细胞的增殖。
为了更详细地了解研究的细微差别和细节，我强烈建议您仔细阅读
研究小组的
报告及其
补充材料 。
结语这项研究结合了生物化学和数学。 当然，如果科学家想要获得可靠和适当的结果，则这两种科学通常会成对出现。 在这种情况下，数学建模的使用有助于理解波浪状基础对于表皮生长的重要性，这显着增加了活细胞的数量，并因此增加了样品的厚度和强度。
这项工作在更大程度上旨在测试数学模型的可操作性，而不是测试表皮本身的技术。 研究人员以前遇到的困难将不再阻止他们继续更详细地研究细胞合成和表皮生长的方法，使其尽可能接近真实的形式。
这项工作的结果很可能成为移植学和整个人类皮肤研究迈出的相当重要的一步，并鼓励其他研究人员更积极地使用数学建模作为优先重点的工具。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。
感谢您与我们在一起。 你喜欢我们的文章吗？ 想看更多有趣的资料吗？ 通过下订单或将其推荐给您的朋友来支持我们，
为我们为您发明的入门级服务器的独特模拟，为Habr用户提供
30％的折扣： 关于VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）的全部真相10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps从$ 20还是如何划分服务器？ （RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。
VPS（KVM）E5-2650 v4（6核）10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps，直到春季免费，直到半年付款，您都可以
在此处订购。
戴尔R730xd便宜2倍？ 仅
在荷兰和美国，我们有
2台Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100电视（249美元起） ！ 阅读有关
如何构建基础架构大厦的信息。 使用价格为9000欧元的Dell R730xd E5-2650 v4服务器的上等课程？