Gilberto L. Thomas
LABCEL
Instituto de Física - UFRGS
AGREGADOS CELULARES: MODELANDO PROCESSOS
BIOLÓGICOS
Resumo:
Física e Biologia/Medicina?
Somitogenese – crescimento do tailbud
Fusão de agregados celulares
Organ Printing
Física na Biologia e Medicina??
Physics Medicine
Statics (mechanics) Orthopaedics
Dynamics (mechanics) Heart motion
Elasticity and strength of materials
Orthopaedics
Fluid statics Blood pressure
Fluid dynamics Blood flow in vascular system
Surface tension Capillary action
Sound and acousticsStethoscope, ultrasound, acoustic microscope
ElectricityAll life processes, ion transfer at membranes
MagnetismNuclear magnetic resonance imaging
Light and opticsLight microscopy, laser therapy, fibre optics
Heat and thermodynamics Heat balance
Kinetic theory and statistical mechanics
Brownian motion, osmosis, diffusion of gases
Atomic physics and spectroscopy
"Chemical shift" in NMR imaging, lasers in medicine
Molecular physicsGenetics, antibodies, protein structure, electron microscope
Ultraviolet and infrared energy Skin treatment and imaging
X-rays Radiology, CT imaging
Quantum mechanics Electron diffraction microscope
Relativity Synchrotron radiation imaging
Crystallography Structure of proteins
Solid-state physics and semiconductors
Computers in medicine, scintigraphy
Nuclear physicsRadioisotope labelling, nuclear medicine, radiation therapy
RadioactivityPositron emission tomography (PET)
Elementary particle physics Pion therapy
Accelerators, cyclotrons, etcTumour therapy, Hodgkin's disease
Astronomy and astrophysicsDiscovery of helium, treatment of asthma (obsolete)
Buttrick Hall, Vanderbilt University http://en.wikipedia.org/wiki/Max_Delbrück
http://www.nndb.com/people/348/000129958/max-delbruck.jpg
MAX DELBRÜCKFísico que tornou-se biólogo
http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/snowbird/prefaces/essay_delbrueck.htmA Physicist's Renewed Look at Biology –Twenty Years Laterhttp://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1969/delbruck-lecture.html
Biologia de Sistemas
http://www.cdb.riken.jp/lsb/outline/index.html http://www.csbb.ntu.edu.tw/speech070626.phphttp://www.mycib.ac.uk/
http://www.uib.no/rg/mic/nyheter/2009/07/new-bioimaging-informatics-effort-at-mic
http://www.abdn.ac.uk/dsb/ Biologia de Sistemas é o estudo de um organismo visto como uma rede de genes, proteínas e reações bioquímicas integradas e interagentes que dão origem à vida.http://www.systemsbiology.org/intro_to_isb_and_systems_biology/systems_biology_--_the_21st_century_science
O Modelo de Potts CelularGraner e Glazier, Physical Review Letters 69, 2013-2016 (1992)
Glazier e graner, Physical Review E 47, 2128-2154 (1993)
agora conhecido como
Modelo deGlazier – Graner – Hogeweg
Single-Cell-Based Models in Biology and Medicineed. by A.R.A. Anderson, M.A.J. Chaplain, K.A. Rejniak
Mathematics and Biosciences in Interaction, 79–106,151-1672007 Birkh¨auser Verlag Basel/Switzerland
Sucesso com tecidos e espumas:
Modelo GGH
- define-se uma rede
- cada sítio da rede rótulo s
- um domínio (mm s) “célula”
- energia de interação: = 0 p/ rótulos iguais = 1 p/ rótulos difer.
- variações na forma da “célula” deformações dos domínios
Dinâmica do modelo: minimização da energia do sistema
Escolha um sítio i e um 1º vizinho j.
Se si ≠ sj , suponha si = sj e calcule a energia dessa configuraçao proposta.
A troca é aceita com
1 MCS = número de escolhas igual ao tamanho da rede.
Interação “célula – célula”
i
jicontato jiJE ]1)[,( ,
t tipo da “célula”
Hipótese da Adesão DiferencialM. Steinberg, Science, 141, 401 (1963)
Vínculos geométricos:
i alvo
i alvogeom
2
2
,,
,,
tsts
tvtvE
i
i
vi e si volume e área superficial da “célula” i
ls, lv elasticidade, compressiblidade
( MITOSE CELULAR )
Polaridade celular2
membranaspolaridade
1
cr
E
Movimento correlacionado
células
alvovelocidade
2,, tVtVE
Quemotaxis sxCE d de Superfíciequímico
Cx
td2C
x C
x sC ,
x ,t
Matriz extracelular
“Tipo” especial de “célula” tal que vi = valvo , sempre.
MEC é produzido ou eliminado por células
vi aumenta ou diminui igualmente
Somitogênese
www.accessscience.com/popup.aspx?figID=YB052170FG0010&id=YB052170&name=figure
http://www.biozentrum.uni-uerzburg.defileadminREPORTPC1
Somitogênese
http://www.youtube.com/watch?v=JmLhEd73jRw&feature=player_embeddedhttp://universe-review.ca/R10-33-anatomy.htm
Somitogênese:relógio + gradientes químicos
Somitogênese: diferenciação celular
Julio M Belmonte, Susan Hester, John S Gens, Sherry Clendenon, James A Glazier. , IU Biocomplexity Institute ,Submetido para publicação.
Somitogenesis: botão caudalJM Belmonte, GL Thomas e JA Glazier
http://www.landesbioscience.com/curie/images/chapters/Winckler1color.jpg
Linha Primitiva – células vindas do epiblastoNotocorda – mitose na parte posterior (principal) – mitose lateral (secundary)
Fusão de agregados celularesGL Thomas, JC Mombach, JP Rieu
Cell aggregates:- a.k.a. multicellular spheroids;- interact similarly to liquids;- interesting physical properties;
simultaneously elastic, viscous, and plastic ones;
- model for tumors;- morphogenesis studies;
Fusão de agregados celularesGol: caracterizar as propriedades dinâmicas
destes sistemas.
J.P. Rieu
Fusão de agregados celulares:experiments
Marmottantet al., PNAS, 2009, 106, 17271
Fusão de agregados celulares: simulations
- viscosidade?- inércia?- propriedades do meio
- fusão e arredondamento concordam qualitativamente, mas
- não com oexpoente correto
Fusão de agregados celulares: simulations Compucell3D
Fusão de esferóides:organ printing- Agregados celulares (esferóides)
estruturas básicas para a formação de tecidos
- Nova tecnologia: Organ priting
“a biomedical application of rapid prototyping technology or layer by layer additive biofabrication of functional tissue engineered construct using self-assembling tissue spheroids ”
Road Map for Organ Printing
Organ printing…JC Mombach , V Mironov, A Nagy-Mehesz, JP Rieu, GL Thomas
Modelagem matemática em combinação com simulações computacionais é uma ferramenta poderosa que pode fornecer importantes insights sobre os mecanismos físicos;
todo o processo de organ printing pode se feito in silico usando-se simulação computacional;
mas precisamos de mais dados experimentais!
Fusão: novos dados experimentais
Scale bar:500 μm
0h 4h 8h 12h 17h 20h 24h 28h 50h
tum
or c
ells
, st
em c
ells
and
epi
thel
ial c
ells
V. Mironov, Med.Un. S. Caroline
Dos novos dados:
Novamente crescimento retilíneo para a fusão
- propriedades físicas dos agregados?- propriedades do meio?
Novas simulações: Energia de superfície
INPE – São José dos Campos Complex Systems 2008
i
alvogeom
2,, tstsE i
Organ printing …
http://www.musc.edu/bioprinting/html/how_to_.html
Organ printing… A fusão dos esferóides pode ser
matematicamente modelada e visualizada usando-se simulação computacional em 3D;
Verificaram-se similaridades entre a fusão de esferóides in vitro (experimentos biológicos) e in silico (simulações computacionais);
Abre-se uma oportuniade única para a modelagem sistemática e a simulação computacional para todo o processo de organ printing;
O estudo desse processo in silico pode ser usado para a otimização do real processo de bioprinting.
Obrigado!