agregados celulares: modelando processos biológicos

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

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!