Re-epitelisaatio: epiteelin rajan eteneminen haavan paranemisen aikana

author
20 minutes, 45 seconds Read

Introduction

Aikuisen iho koostuu kolmesta kerroksesta: epidermiksestä ja dermiksestä, jotka on erotettu toisistaan tyvikalvolla. Kun syntyy syvä vamma, joka tuhoaa osan dermiksestä, se on korjattava nopeasti suojakerroksen palauttamiseksi. Haavan paraneminen in vivo on monimutkainen korjausprosessi, jota organisoivat solunsisäiset ja solujen väliset reitit. Ihon eheyden palauttaminen tapahtuu neljässä peräkkäisessä mutta päällekkäisessä vaiheessa: hyytyminen, tulehdus, uudelleenepitelisaatio ja uudelleenmuodostuminen. Välittömästi vamman jälkeen muodostuu hyytymä, joka koostuu pääasiassa fibriinikuiduista ja verihiutaleista ja tukkii haavan (vaihe 1). Seuraavien 2-10 päivän aikana (vaihe 2) hyytymään tunkeutuu jatkuvasti tulehdussoluja, jotka poistavat jäänteitä ja vapauttavat kemiallisia tekijöitä, kuten verisuonten endoteelin kasvutekijää ja transformoivaa kasvutekijä-beetaa. Kun kemiallinen gradientti on muodostunut, eri solut rekrytoituvat rakentamaan uutta kudosta (vaihe 3). Toisaalta dermikseen rekrytoituu uusverisuonia ja fibroblasteja (jotka laskevat kollageenia), jotka muokkaavat hyytymän granulaatiokudokseksi, joka tukee ravitsemuksellisesti ja fyysisesti ylempien kerrosten korjausta. Toisaalta keratinosyytit vaeltavat ja lisääntyvät haavan reunalla laajentaakseen epidermiksen useista solukerroksista muodostunutta epiteelimattoa. Tätä prosessia kutsutaan uudelleenepitelisaatioksi, ja se kestää kahdesta kolmeen viikkoa. Vaiheen 3 lopussa fibroblasteista muuntuneet myofibroblastit supistuvat ja pyrkivät kokoamaan haavan reunan yhteen. Ne häviävät apoptoosin kautta dermikseen. Uudelleenmuodostus (vaihe 4) jatkuu kuukausia tai jopa vuosia normaalin ihon homoeostaasin palauttamiseksi. Normaali anatominen rakenne ei kuitenkaan täysin palaudu, ja granulaatiokudoksesta muodostuu arpi. Tämä pätee aikuisten ihmisten suuriin haavoihin, mutta ihmisalkioiden haavat voivat sulkeutua täydellisesti, eikä syitä tähän täysin ymmärretä. Mielenkiintoista on, että arpimuodostuksen uskotaan olevan evolutiivinen uhraus haavan nopean sulkeutumisen saavuttamiseksi, ja tähän viittaa voimakas ja tarpeeton tulehdusreaktio, joka välittää systemaattista solukäyttäytymistä uudelleenepitelisaation aikana vapauttamalla kemiallisia signaaleja. Kaikissa tapauksissa lopullinen arpi on seurausta solujen ja mikroympäristön välisestä vuorovaikutuksesta fysikaalisten ja kemiallisten tekijöiden kautta neljän vaiheen aikana.

Tässä keskitymme re-epitelisaatioon, kun keratinosyytit, epidermistä vallitsevat solut, irtoavat tyvikalvosta, vaeltavat kohti haavan reunaa ja lisääntyvät granulaatiokudoksessa olevien morfogeenien ohjaamina . Useat ryhmät ovat viime aikoina tehneet erittäin huolellisia in vitro -epiteelin migraatiokokeita . Ne on toteutettu kiinteällä alustalla, ja niihin liittyy etenevä monokerros, jota motivoi solujen kollektiivinen käyttäytyminen migraation, voimien synnyn ja solujen sytoskeletin uudelleenjärjestäytymisen kautta marginaalissa. Havainnot osoittavat solujen ei-intuitiivisen tavan saavuttaa kestävyys korjauksen aikana, jolloin kemotaksis ei näytä olevan ratkaisevaa solujen globaalin siirtymisen kannalta in vitro. Koska haavassa in vivo vapautuu runsaasti morfogeneettisiä signaaleja verrattuna in vitro -kokeisiin, kemotaksis kuitenkin hallitsee solujen kollektiivista käyttäytymistä haavan paranemisprosessin aikana. Lähempänä in vivo -haavan paranemista (kuva 1a(i)(ii)) keinotekoinen sarveiskalvo on muodostettu (kuva 1b(i)(ii)) lisäämällä epiteelisoluja, fibroblasteja ja kasvutekijöitä kolmiulotteiseen Petrimaljaan. Mielenkiintoista on, että kaikki nämä työt koskevat pikemminkin pyöreää geometriaa kuin aiemmissa kokeissa tehtyä lineaarista leikkausta. Vaikka nämä järjestelmät ovatkin hyvin kontrolloituja, on epäselvää, kuvaavatko ne in vivo -haavan paranemisen koko monimutkaisuutta. Sekä in vivo- että in vitro -kokeissa on kuitenkin havaittavissa epäsäännöllistä rajakehitystä, mikä viittaa mahdolliseen yleiseen epäsäännöllisyyteen, joka johtuu kemotaksiasta (kuva 1).

Kuva 1. Sulkeutumisprosessi halkaisijaltaan 5 mm:n rei’itysbiopsian ottamisen jälkeen villityypin hiiren normaalista ihosta (a(i), peräisin , tekijänoikeus luvalla) ja halkaisijaltaan 6 mm:n rei’itysbiopsian ottamisen jälkeen keinotekoisesta sarveiskalvokudoksesta (b(i), peräisin , tekijänoikeus luvalla). Molemmissa näkyy aaltoileva reuna haavan sulkeutuessa. Valokuvat, jotka on otettu 3 päivää (villityypin hiirten ihosta) ja 2 päivää (sarveiskalvokudoksesta) rei’ityksen jälkeen, on esitetty kuvissa a(ii) ja b(ii).

Tässä työssä kuvaamme uudelleenepitelisaatiota tarkastelemalla kudoksessa olevaa ympyränmuotoista reikää ja sovitamme siihen hiljattain julkaistun dynaamisen mallin, jossa on kyse morfogeneettisten gradienttien vetämästä kemiallisesta siirtymisestä. Koska malli on jatkuva, se kuvaa kudosta asteikolla, joka on suurempi kuin solujen koko mutta pienempi kuin reiän koko. Tässä emme erottele solulajeja tai kemoattraktanttien luokkia. Jälkimmäistä syötetään jatkuvasti saapuvasta virrasta kolmannesta ulottuvuudesta, joka on normaali epiteelikerrokselle, ja solureseptorit ottavat sitä vastaan. Kuten kappaleessa , liikkuvan kerroksen ohuus muuttaa kolmiulotteisen prosessin kaksiulotteiseksi malliksi, jossa paikallinen paksuuden vaihtelu rajalla vaikuttaa jännitykseen T. Lisäksi oletamme, että liikkuvan kerroksen ja substraatin välillä on voimakas viskoosinen kitka , mikä mahdollistaa Darcyn lain kirjoittamisen keskimääräiselle nopeuskentälle kudoksen sisällä, kun taas solujen ja solujen väliset vuorovaikutukset ja mitoosi muutetaan rajapinnan reunaehdoiksi jyrkässä rajapintarajassa. Esittelemme ensin fysikaalisen mallin, sitten analyyttisen käsittelyn, jossa annetaan eksplisiittinen ratkaisu pyöreälle geometrialle ja tutkitaan sen vakautta. Itse asiassa lineaarisen rajan tapauksessa on osoitettu, että pienillä nopeuksilla esiintyy pitkän aallonpituuden epävakautta, joka johtuu Goldstonen moodista (translaation invarianssi), jota pelkkä pintajännitys ei onnistu estämään . Intuitiivisesti voidaan odottaa, että se katoaa pienissä rei’issä, kun pintajännityksen vaikutus korostuu. Päinvastoin, kuten in vitro -kokeissa, suuremmissa rei’issä voi esiintyä ääriviivojen epävakautta, joka johtaa dynaamiseen käyttäytymiseen, jota pyrimme ennustamaan. Vakausanalyysia pidemmälle menevä, ajasta riippuvainen vapaan rajan ongelma edellyttää numeerisia menetelmiä, joilla voidaan ratkaista yhtälöitä kehittyvillä alueilla. Ratkaisemme ongelmamme tasomäärämenetelmillä, jotka Osher & Sethian kehitti ensimmäisen kerran 1980-luvulla ja jotka pystyvät seuraamaan liikkuvia rajapintoja ja topologisia muutoksia automaattisesti ja joita on sovellettu menestyksekkäästi ongelmiin, kuten nesteen ja kaasun vuorovaikutukseen, kuvankäsittelyyn ja kasvainten kasvuun. Teoreettisen ongelmamme luonteen vuoksi valitsemme kasvainten kasvua varten kehitetyn menetelmän. Seuraavassa esittelemme ensin mallin ja esittelemme tärkeimmät fysikaaliset parametrit, sitten analyysin heikon amplitudin epävakauden varalta ja lopuksi numeeriset menetelmät ja simulaatiot sulkeutumisen lopullista tilaa varten.

Malli

Harkitsemme ympyränmuotoista reikää Ω kaksiulotteisessa solupopulaatiossa, jonka tiheys ρ on upotettuna morfogeneettiseen ympäristöön (kuva 2). Solut vaeltavat ylöspäin morfogeenigradienttia, jolloin kemotaktinen vuo on verrannollinen morfogeenien konsentraatiogradienttiin ja Λc on liikkuvuusvakio. Morfogeenien jakautuminen reiän Ω sisä- ja ulkopuolella ruokitaan alhaalta tulevista lähteistä. Mitoosia tapahtuu vain rajalla ja sulkeutuminen tapahtuu enimmäkseen migraation avulla. Solupopulaation massatase on tällöin

2.1

Kuvio 2. Solupopulaation massatase. Kaavamainen kuvaus: Ω on haava (hyytymä → granulaatiokudos), jossa kemoattraktantteja vapautuu, ja Ωc on liikkuva epiteelin jatkumo. Hydrostaattinen painegradientti Ωc:ssä ohjaa kemotaksista. Proliferaatio on rajoitettu reunalla (ääriviiva mustalla ja zoomattu harmaalla).

Kudoksen tilavuuskasvua (γ = 0) lukuun ottamatta kudoksen periferiaa solutiheys on vakio ja ρ = ρ0. Yhtälö (2.1) yksinkertaistuu ja antaa, että rintaman normaalinopeus on suoraan verrannollinen normaaliin konsentraatiogradienttiin. Äärimmäisen pienillä nopeuksilla solujen siirtyminen täyttää Darcyn lain , jolloin Mp on huokoisuuskerroin, joka on epiteelin korkeuden neliö jaettuna kitkakertoimella. Kuten artikkelissa , tämä laki on johdettavissa kudoksissa, kun faasien välinen kitka tai kitka alustan kanssa tasapainottaa soluihin vaikuttavan elastisen jännityksen hydrostaattisen osan. Haava häiritsee ympäristön homoeostaattista tilaa, ja morfogeenien lähde pyrkii palauttamaan optimaalisen tasapainoarvon aukkoon c0. Kun otetaan tämä konsentraatio morfogeenikonsentraation yksiköksi (jolloin ), τc ottoaika aikayksikkönä ja Le pituusyksikkönä (jolloin , De on diffuusiokerroin epiteelin sisällä), saadaan

2.2

indeksillä h tai e viitataan sisäiseen (aukko) tai ulompaan (epiteeli) alueeseen. δ = Dh/De edustaa reiän Dh:n ja kudoksen De:n diffuusiokertoimen suhdetta, se on suurempi kuin 1, ja α kertoo sen poikittaisvirran voimakkuuden, joka ylläpitää morfogeenitasoa reiän sisällä. Solujen migraation suhteellisen hitauden vuoksi jätämme aikariippuvuuden huomiotta yhtälössä (2.2). Kun De/Mp otetaan paineyksiköksi, Darcyn laki yksinkertaistuu muotoon, jossa säilytämme yksinkertaisuuden vuoksi samat merkinnät p:lle ja v:lle. Massatasapainoyhtälöstä (2.1) saamme seuraavan Laplace-yhtälön, joka kytkee tuntemattoman paineen p kemoattraktiivisen aineen konsentraatioon c:

2.3

Siten saadaan, missä ϕ on holomorfinen funktio, joka täyttää Δϕ = 0. Lopuksi on kiinnitettävä erityistä huomiota rajapinnan reunaehtoihin. Yhtälön (2.2) osalta ne koskevat konsentraation jatkuvuutta ja virtauksen epäjatkuvuutta, jotka johtuvat mitoosin aiheuttamasta morfogeenin kulutuksesta rajalla

(havainnollistamiseksi ks. ):

2.4

jossa N on ulkonormaali. Γ2 on rajalla rajoitettu ottonopeus, jota käsitellään jäljempänä yhdessä mitoosinopeuksien Γ1 jakanssa rajalla. Kapillaarisuus korjaa painehypyn rajapinnassa

2.5

, mikä antaa vapaan rajan ehdon ottaen huomioon geometrisen vaikutuksen, jossaon paikallinen kaarevuussäde.on yhtä suuri kuin säde, jos geometria on ympyrä. Se ottaa kuitenkin huomioon paikallisen vaikutuksen pienellä pituusskaalalla, kun reuna häiriintyy. Samalla rajapinnan nopeuseroaa epiteelin nopeudesta v rajalla tapahtuvan solujen proliferaation vuoksi ja saadaan

2.6

jossa Γ1 on mitoosinopeus ja σ kapillaarien lukumäärä, joka liittyy rajapinnan jännitykseen T, jotenHaavan paranemista in vivo hallitsee kaksiulotteinen migraatio ja morfogeenit eivät luultavasti ole ravinteita, joten Γ2 häviää ja Γ1c on korvattava, jos tarkastellaan myös mitoosia ilman ravinnepitoisuuksien määrällistä vaikutusta. Kapillaarilukuun σ saattaa liittyä aktiinikaapelin (niputettujen mikrofilamenttien) toimintaa soluissa. Alkion haavan paranemisen aikana etureunasolut voivat koordinoida aktiinikaapeleitaan globaalisti, mikä synnyttää vaikutuksen makroskooppisella tasolla. Aikuisilla tämä koordinoitu käyttäytyminen kuitenkin häviää, joten aktiinikaapeleiden vaikutus voi vaikuttaa vain paikallisesti. Tämä muistuttaa mallimme σ:tä, joka ei ole tehokas suurissa haavoissa. Yhtälöiden (2.2) ja (2.3) tarkastelu yhdessä reunaehtojen (2.4), (2.5) ja (2.6) kanssa osoittaa, että kemostaattisesti ohjattu migraatio on todellakin vapaan rajan ongelma, johon liittyy useita parametreja biologisen monimutkaisuuden edustamiseksi, ja yksinkertaisten tapausten, esimerkiksi ympyränmuotoisen sulkeutumisen, tutkiminen voi auttaa ymmärtämään niiden vastaavaa roolia. Näin ollen esitämme ensin analyyttiset tulokset reiälle, joka pysyy koko ajan ympyränmuotoisena, ja sitten sen stabiilisuuden.

Tulokset

3.1. Säännöllinen ympyränmuotoinen sulkeutuminen

Kvasistaattisessa approksimaatiossa yhtälö (2.2) voidaan ratkaista analyyttisesti ja saadaan

3.1

I0 (vastaavasti K0), joka on nollan kertaluvun modifioitu Besselin funktio, säännönmukainen pisteessä r = 0 (vastaavasti r → ∞). Yhtälössä (3.1) otetaan huomioon jatkuvuus rajapinnassa, A on annettu vuon jatkuvuudella, ja se kuuluu

3.2

seuraavalla määritelmällä(kahden peräkkäisen Besselin funktion suhde) ja vastaavalla määritelmälläPaineeksi P0 epiteelin sisällä tulee

3.3

Käytämme Laplacen lakia tuntemattomien vapausasteiden vahvistamiseen. Holomorfinen funktio ϕ, joka on verrannollinen log(r):ään, edustaa mahdollista ajavaa voimaa, joka esiintyy rajapinnassa (eli ns. kenotaksia, joka on määritelty kohdassa ). Itse asiassa jopa ilman morfogeenejä havaitaan in vitro epiteelin migraatiota kiinteällä alustalla, mikä saattaa johtua solujen sytoskeletin uudelleenorganisoitumisesta haavan reunalla. Huomattakoon, että malli pysyy voimassa, jos kemotaksia ei oteta huomioon edellyttäen, että pituus- ja aikayksiköiden määritelmää muutetaan. Lisäksi C0 ja P0 riippuvat ajasta R(t):n kautta. Yksinkertaisuuden vuoksi jätämme pois

aikariippuvuudenYhtälöstä (3.5) johdettu sulkeutumisnopeuson tällöin

3.4

Sulkeutumisnopeus on vakio suurilla rei’illä ja on eksponentiaalisesti pieni , kun säde R muuttuu pieneksi, jos rajoitutaan kemotaattiseen migraatioon ja proliferaatioon. Suuren reiän säde alkaa siis pienentyä lineaarisesti ajassa, mutta täydelliseen sulkeutumiseen kuluu ääretön aika. Pienissä rei’issä kemotaksis muuttuu alivoimaiseksi verrattuna kenotaksis Ainiin rajapinnalla, joka ohjaa sulkemisdynamiikkaa, ja säde täyttää diffuusiolain t1/2 . Kuvassa 3 on esitetty R:n funktiona α:n, δ:n ja Ain/Λ:n eri arvoille, ja §4 sisältää keskustelua parametreista.

Kuva 3. Sulkeutumisnopeus R:n funktiona vaihdellen (a) δ:tä, (b) α:ta ja (c) Suurella R:llä nopeus on vakio. Nopeus konvergoi 0:aan, kun R menee 0:aan, paitsi että Ain(>0) vaikutus otetaan huomioon (c).

3.2. Ympyränmuotoisuuden menetys

Yhtälö (3.4) on kuitenkin voimassa vain, jos ympyränmuotoinen ääriviiva säilyy. Siksi suoritamme lineaarisen stabiilisuusanalyysin suurille haavoille (Ain ∼ 0) olettaen säteen pieneksi harmoniseksi häiriöksi , joka aiheuttaa saman kertaluvun ε muutoksia paineeseen P ja konsentraatiokenttään C seuraavasti:

3.5

jossa indeksi i tarkoittaa joko reikään (h, 0 < r < R) tai epidermiin (e, R < r < ∞) suhteutettua suureen. Vaikka kaikki häiriösuureet riippuvat valitusta moodista n, lineaarinen häiriöanalyysi käsittelee näitä moodeja itsenäisesti. Jätetään siis n-indeksi pois ja lasketaan perturbatiiviset konsentraatiokentät ci(r) yhtälöstä (2.3)

3.6

kun taas perturboiva painekenttä saadaan kaavalla, jossa otamme huomioon holomorfisen funktion ϕ harmoniset moodit B:n ollessa kiinteä Laplacen laillaε:n heikkouden vuoksi yhtälösysteemimme, kun se on kerran linearisoitu, voidaan ratkaista analyyttisesti, ja moodin n kasvuvauhti on

3.7

missä

Yhtälö (3.7) edustaa implisiittistä suhdetta Ωn:lle, joka ratkaistaan iteratiivisin tekniikoin, ja positiiviset arvot ilmaisevat moodeja, jotka ovat vastuussa ympyräreunan epävakautumisesta siirtymisen edetessä. Tulokset esitetään eri Λ:n, α:n ja δ:n arvoille, jolloin Ωn on esitetty kuvassa 4. Katso parametreja koskeva keskustelu kohdasta 4. Tulokset osoittavat epävakautta, joka johtaa poikkeamiseen ympyrästä lyhyessä ajassa, kun n on enintään kriittinen tila nc (kapillaarisuuden vahvistama). Siksi numeeriset simulaatiot ovat välttämättömiä, jotta voidaan mennä lineaarista analyysia pidemmälle ja ottaa epälineaarisuudet täysimääräisesti huomioon.

Kuva 4. Kasvunopeus Ωn aaltoluvun n funktiona vaihdellen a) liikkuvuuskerrointa Λ, b) morfogeenin voimakkuutta α ja c) diffuusiokertoimen suhdetta δ = Dh/De haavan ja epiteelin välillä.

3.3. KUVA 3.1. Kasvunopeus Ωn aaltoluvun n funktiona. Täydellinen dynamiikka ja numeeriset menetelmät

Diskretisoimme yhtälössä (2.2) olevan c:n ja yhtälössä (2.3) olevan paineen p kartesiolaisella verkolla avaruudessa ja implisiittisesti ajassa käyttäen epälineaarista adaptiivista Gauss-Seidelin iteratiivista menetelmää . Alueen rajalla asetetaan sekä c:n häviävät arvot että p:n normaali gradientti. Sitten lisätään kohinaa C = c + χ, jossa Aloitetaan täydellisestä ympyrästä, jossa R = 90, ja haavan sulkeutumista seurataan kohdassa kehitetyllä tasojoukkomenetelmällä, jossa skalaarifunktio Φ, jossa kuvaa haavaa (Φ < 0), epiteeliä (Φ > 0) ja rajapintaa (Φ = 0). Yhtälön (2.5) normaali ja kaarevuus lasketaan tavanomaisen differentiaaligeometrian avulla: ja Φ päivitetään relaatiolla , jossa Vext on yhtälöstä (2.5) saatavan Vintin vakiojatkumo rajapinnalla gradienttia seuraten Huomattakoon, että tämä menetelmä simuloi täydellistä ympyränmuotoista sulkua ilman kohinaa. Tulostemme mukaan haava poikkeaa täydellisestä ympyrästä pian kasvun jälkeen, kuten kuvista 5 ja 6 nähdään ja mikä on sopusoinnussa stabiilisuusanalyysin kanssa.

Kuva 5. Haavan sulkeutumisen simulointi. Molemmat alkavat arvolla R = 90 (9 mm) ja δ = 2. (a)(i) Pitoisuuskenttä ja (ii) kokonaisaikakehitys, kun Λ = 1 ja α = 1; (b)(i) Pitoisuuskenttä ja (ii) kokonaisaikakehitys, kun Λ = 10 ja α = 0,1. Lisäselvityksiä annetaan tekstissä.

Kuva 6. Simulointi haavan myöhäisvaiheen sulkeutumisesta suurella muodonmuutoksella, kun δ = 2 (ylhäällä, vasemmalla) ja δ = 1 (alhaalla, vasemmalla). Oikealla: MDCK-solumonokerros, jossa on polydimetyylisiloksaanista valmistetulla lieriömäisellä pilarilla tehty haava 10 (ylhäällä) ja 15 (alhaalla) tunnin kuluttua . Haavan alkuperäinen halkaisija kokeessa on 0,5 mm. Epälineaarinen raja (punaiset nuolet) myöhäisvaiheessa sulautuu yhteen ja johtaa haavan pinta-alan puristumiseen (oranssit nuolet) sekä simulaatiossa että kokeessa.

Keskustelu ja johtopäätökset

Mallissa on useita toisistaan riippumattomia parametreja. Osa niistä voidaan korjata julkaistujen kokeellisten tietojen avulla (taulukko 1). Nopeusyksikkömme on yhteensopiva sarveiskalvon sulkeutumisnopeuden kanssa (3 vuorokautta noin 3 mm:n säteen omaavalle reiälle ), jolloin saadaan Λ ∼ 1 tälle kokeelle yhtälön (3.2) mukaisesti. Kuvassa 4 varioimme parametreja α ja δ, joita on vaikeampi arvioida, sekä myös Λ. Koska haavat ovat käytännössä suuria, lineaarinen stabiilisuusanalyysi antaa aina epävakauden, ja tämä johtopäätös on vankka parametrien muutoksille. Tämä havainto vahvistetaan täysin epälineaarisilla simulaatioilla samalla parametrialueella (kuvat 5 ja 6). Simuloinneissa suuri Λ (noin 10, kokonaisaika noin 60) nopeuttaa sulkemista verrattuna pieneen Λ (noin 1, kokonaisaika noin 600). Kuvassa 5a on tyypillinen esimerkki sulkemisprosessista, kun α = 1 ja δ = 2. Etenevä rajapinta muuttuu aaltoilevaksi haavan parantuessa; kun haavasta tulee kuitenkin pieni, pintajännitys vakauttaa haavan uudelleen perunan muotoon, joka on lineaarisen stabiilisuusanalyysin mukainen. Tämä pintajännitys voi myös puristaa haavat pienemmiksi paloiksi, kuten kuvassa 5b(ii), kuvassa 6 ja . Tämä tapahtuma edellyttää aluksi epäsäännöllisempää sulkeutumista (punaiset nuolet kuvassa 6), jolloin kemoattraktiivisen aineen pitoisuus on epäyhtenäisempi, koska poikittaisvirta on riittämätön (α = 0,1). Pinch-off voi tapahtua sekä sulkemisen väli- että loppuvaiheessa (keltaiset nuolet), mikä vastaa havaintoja haavan paranemisen myöhäisvaiheessa MDCK-solujen monokerroksessa (kuva 6, oikealla), mikä viittaa samaan käyttäytymiseen monimutkaisemmissa haavan paranemisprosesseissa.

.

Taulukko 1. Parametritaulukko.

fysikaalinen parametri arvo
diffuusiokerroin De 1 μm2 s-1
imeytymisaika τc 2000 s
pintajännitys T 10-4 N m-1
kitkakerroin 10-9 N μm-3
pituusyksikkö 50 μm, laskettu
nopeusyksikkö 0.025 μm s-1, laskettu
kapillaariluku σ 0,1, laskettu
kemoattraktiivisen aineen voimakkuus α 0,1-10, arvioitu
diffuusiokertoimen suhdeluku δ 0.1-10, estimoitu
solun nopeus Λ 1-10, estimoitu

Tässä työssä olemme osoittaneet teoreettisesti, että haavan uudelleenepitelisaatio antaa rajan epästabiiliuden kliinisesti realistisilla parametreilla. Kemotaksiksen ohjaamana mallissamme ei esitetä muita solutoimintoja, jotka sulkevat haavan lopullisessa vaiheessa. Oletamme kuitenkin, että tämä kemotaktinen epävakaus haavan rajalla voi vaikuttaa lopullisen korjauksen laatuun. Alkion haavan paranemisen aikana, jolloin havaitaan täydellinen rekonstruktio, haava sulkeutuu ”kukkaronnyörillä”, joka edustaa aktiinikaapelin helpottamaa etureunan solujen koordinointia. Tämä mekanismi on kadonnut aikuisen ihossa, jossa haava sulkeutuu solujen (useiden kerrosten) ryömiessä granulaatiokudoksessa . Verrattuna staattiseen substraattiin in vitro, granulaatiokudos supistuu uudelleenepitelisaation lopussa myofibroblastien toimesta . Tämän tarkoituksena on tosiaan saattaa reuna yhteen, mikä muistuttaa ”kukkaronnyöriä”, mutta näiden solujen aiheuttaman supistumisen on oltava sopusoinnussa synkronisen materiaalin koostumuksen kanssa, mikä on mekaanisesti ja systemaattisesti haaste .

Loppupuolella keskustelemme mallistamme ihon haavan paranemisen yhteydessä in vivo . Kun haava menee syvälle dermikseen, mikä on tilanne useimmissa haavoissa, nämä kaksi kerrosta käyttäytyvät eri tavalla uudelleenepitelisaation aikana. Haavan syvyys vaikuttaa osaltaan alemman kerroksen paksuuteen, jossa kemoattraktantti vapautuu. Kun otetaan huomioon uudelleenepitelisaatio, jossa vain useat solukerrokset tulevat liikkuviksi alempien pinojen yläpuolella, joissa kemoattraktanttia vapautuu, haavan syvyys vaikuttaa matemaattisesti poikittaiseen kemoattraktanttivirran voimakkuuteen α. α:n lisäksi, johon voi liittyä haavan syvyys, otetaan huomioon haavan geometria, haavan koko sekä diffuusiokertoimen suhdeluku δ. Verrattaessa in vivo -kokeisiin ihmisen haavan paranemisprosessi voi olla erilainen kuin koehiirillä, mikä johtuu ihon erilaisista biomekaanisista ominaisuuksista. Jos ongelmaa kuitenkin aiotaan tarkastella in vivo ottaen huomioon bioelastisuus, haasteena eivät ole ainoastaan kahden kerroksen erilaiset komponentit vaan myös se, että iho- ja orvaskeden välinen liitoskohta on erittäin epäjärjestyksessä jopa ehjällä iholla, kuten aiemmassa työssämme on osoitettu. Kolmannessa ulottuvuudessa olisi määriteltävä säännöllinen kuvio, jota pidämme ”normaalina”. Lisäksi, koska haavakudos muuttuu paranemisen aikana, mekaanisia parametreja ei voida pitää vakioina, ja kudoksen relaksaatio kehittyy todennäköisesti suuremmalla aikaskaalalla kuin uudelleenepitelisaatio. Nämä relaksaatioprosessit olisi otettava huomioon myös ennustettaessa lopullisen korjauksen laatua. Sitä ennen kemotaksiksen ajama haavan reunan epäsäännöllisyys olisi otettava huomioon yhtenä osatekijänä.

Kiitokset

Kiitämme Pascal Silberzania ja Olivier Cochet-Escartinia keskusteluista ja kokeiden valokuvien toimittamisesta. Kiitämme myös Patrick Carrieria keskustelusta.

Rahoitusosoitus

Tätä työtä on osittain tukenut AAP Physique Cancer 2012.

Liite A. Numeerinen toteutus

Simulointi on tehty 200 × 200 kartesiolaisella ristikolla, jonka ruudukon koko on 10 μm. Tämä vapaan rajan ongelma on helppo toteuttaa level-set-menetelmällä, koska se on riippuvainen kaarevuudesta yhtälön (2.5) paineen ratkaisemisessa. Täydellinen menetelmä on mukautettu ja sen tarkkuusluokka on yli 1,5. Vaikka raja voidaan antaa implisiittisesti tasojoukkofunktion Φ nollakontuurin avulla, kaarevuus voidaan myös helposti laskea. Jokaisella aika-askeleella alue Ωt:stä Ωt+Δt:hen päivitetään seuraavasti:

– Ratkaistaan yhtälö (2.2) kiinteällä alueella Ωt tasaisessa tilassa vapaan rajan ehdon yhtälöllä (2.4). Laskentaruudukon rajalle asetetaan Neumannin reunaehto.

– Päivitetään konsentraation C ratkaisu pistemäisesti C = c + χ, jossa χ on satunnaisesti generoitu tasaisesta jakaumasta välillä ja käytetään esitetyissä simulaatioissa.

– Ratkaistaan yhtälö (2.3) tunnetulla C:llä yhtälön (2.5) ensimmäisestä osasta ilmenevällä rajapinnan reunaehdolla, jossa paikallinen kaarevuus lasketaan tasojoukkofunktiosta Neumannin reunaehto asetetaan laskentaruudukon rajalle.

– Lasketaan liikkuvan rajan nopeus V yhtälön toisesta osasta (2.4), jossa lasketaan tasojoukkofunktiosta

– Etsitään sopiva CFL-ehdon antama Δt ja päivitetään alue Ωt muotoon Ωt+Δt.

– Aloita juuri päivitetystä alueesta Ωt+Δt ja toista viisi edellistä vaihetta.

Alkuhuomautukset

© 2014 The Authors. Julkaisija: Royal Society Creative Commons Attribution License http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/, joka sallii rajoittamattoman käytön edellyttäen, että alkuperäinen tekijä ja lähde mainitaan.

  • 1
    Martin P. 1997Wound healing-aiming for perfect skin regeneration. Science 276, 75-81. (doi:10.1126/science.276.5309.75). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 2
    Gurtner GC, Werner S, Barrandon Y& Longaker MT. 2008Wound repair and regeneration. Nature 453, 314-321. (doi:10.1038/nature07039). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 3
    Tonnesen MG, Feng X& Clark RAF. 2000Angiogeneesi haavan paranemisessa. J. Invest. Dermatol. Symp. Proc. 5, 40-46. (doi:10.1046/j.1087-0024.2000.00014.x). Crossref, PubMed, Google Scholar
  • 4
    Redd MJ, Cooper L, Wood W, Stramer B& Martin P. 2004Wound healing and inflammation: embryos reveal the way to perfect repair. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B 359, 777-784. (doi:10.1098/rstb.2004.1466). Link, ISI, Google Scholar
  • 5
    Bayat A, McGrouther DA& Ferguson MWJ. 2003Skin scarring. Br. Med. J. 326, 88-92. (doi:10.1136/bmj.326.7380.88). Crossref, PubMed, Google Scholar
  • 6
    Eming SA, Krieg T& Davidson JM. 2007Inflammation in wound repair: molecular and cellular mechanisms. J. Invest. Dermatol. 127, 514-525. (doi:10.1038/sj.jid.5700701). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 7
    Tepole AB& Kuhl E. 2013Systems-based approaches towards wound healing. Pediatr. Res. 73, 553-563. (doi:10.1038/pr.2013.3). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 8
    Werner S, Krieg T& Smola H. 2007Keratinosyyttien ja fibroblastien vuorovaikutukset haavan paranemisessa. J. Invest. Dermatol. 127, 998-1008. (doi:10.1038/sj.jid.5700786). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 9
    O’Leary R, Arrowsmith M& Wood EJ. 2002Elävän ihoekvivalentin karakterisointi ihon uudelleenepitelisaation mallina. Cell Biochem. Funct. 20, 129-141. (doi:10.1002/cbf.965). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 10
    Trepat X, Wasserman MR, Angelini TE, Millet E, Weitz DA, Butler JP& Fredberg JJ. 2009Fyysiset voimat kollektiivisen solumigraation aikana. Nat. Phys. 5, 426-430. (doi:10.1038/nphys1269). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 11
    Anon E, Serra-Picamal X, Hersen P, Gauthier NC, Sheetz MP, Trepat X& Ladoux B. 2012Cell crawling mediates collective cell migration to close undamaged epithelial gaps. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 10 891-10 896. (doi:10.1073/pnas.1117814109). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 12
    Cochet-Escartin O, Ranft J, Silberzan P& Marcq P. 2014Border forces and friction control epithelial closure dynamics. Biophys. J. 106, 65-73. (doi:10.1016/j.bpj.2013.11.015). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 13
    Kim JH, et al.2013Propulsion and navigation within the advancing monolayer sheet. Nat. Mater. 12, 856-863. (doi:10.1038/nmat3689). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 14
    Nassar D, Letavernier E, Baud L, Aractingi S& Khosrotehrani K. 2012Calpainin aktiivisuus on olennaista ihon haavan paranemisessa ja vaikuttaa arpien muodostumiseen. PLoS ONE 7, e37084. (doi:10.1371/journal.pone.0037084). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 15
    Carrier P, Deschambeault A, Talbot M, Giasson CJ, Auger FA, Guèrin SL& Germain L. 2008Charakterisointi haavan reepitelisaatiosta käyttäen uutta ihmisen kudosmuotoiltua sarveiskalvon haavan paranemisen mallia. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 49, 1376-1385. (doi:10.1167/ivos.07-0904). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 16
    Poujade M, Grasland-Mongrain E, Hertzog A, Jouanneau J, Chavrier P, Ladoux B, Buguin A& Silberzan P. 2007Collective migration of an epithelial monolayer in response to a model wound. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 15 988-15 993. (doi:10.1073/pnas.0705062104). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 17
    Saez A, Anon E, Ghibaudo M, du Roure O, Meglio JMD, Hersen P, Silberzan P, Buguin A& Ladoux B. 2010Traction forces exerted by epithelial cell sheets. J. Phys: Condens. Matter 22, 194119. (doi:10.1088/0953-8984/22/19/194119). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 18
    Ben Amar M. 2013Chemotaxis migration and morphogenesis of living colonies. Eur. Phys. J. E 36, 64. (doi:10.1140/epje/i2013-13064-5). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 19
    Lowengrub JS, Frieboes HB, Jin F, Chuang YL, Li X, Macklin P, Wise S& Cristini V. 2010Nonlineaarinen syövän mallintaminen: solujen ja kasvainten välisen kuilun ylittäminen. Nonlinearity 23, R1. (doi:10.1088/0951-7715/23/1/R01). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 20
    Callan-Jones A, Joanny JF& Prost J. 2008Viscous-fingering-like instability of cell fragments. Phys. Rev. Lett. 100, 258106. (doi:10.1103/PhysRevLett.100.258106). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 21
    Ben Amar M, Manyuhina OV& Napoli G. 2011Cell motility: a viscous fingering analysis of active gels. Eur. Phys. J. Plus 126, 1-15. (doi:10.1140/epjp/i2011-11019-7). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 22
    King JR& Franks SJ. 2007Stability properties of some tissue-growth models. Mathematical modeling of biological systems, vol. 1 (eds , Deutsch A, Brusch L, Byrne HM, Vries G& Herzel H), p. 175. Basel, Sveitsi: Birkhauser. Crossref, Google Scholar
  • 23
    Dervaux J, Magniez J& Libchaber A. In press. Bacillus subtilis -biofilmien kasvusta ja muodosta. Interface Focus. Google Scholar
  • 24
    Osher S& Sethian JA. 1988Käyristyksestä riippuvalla nopeudella etenevät rintamat: Hamilton-Jacobin muotoiluihin perustuvat algoritmit. Comput. Phys. 79, 12-49. (doi:10.1016/0021-9991(88)90002-2). Crossref, Google Scholar
  • 25
    Sethian A. 1999Level set methods and fast marching methods. New York, NY: Cambridge University Press. Google Scholar
  • 26
    Osher S& Fedkiw R. 2002Level set methods and dynamic implicit surfaces. New York, NY: Springer. Google Scholar
  • 27
    Macklin P& Lowengrub JS. 2006An improved geometry-aware curvature discretization for level set methods: application to tumor growth. J. Comput. Phys. 215, 392401. (doi:10.1016/j.jcp.2005.11.016). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 28
    Macklin P& Lowengrub JS. 2008Uusi haamusolu/tasojoukkomenetelmä liikkuvien rajojen ongelmille: sovellus kasvainten kasvuun. J. Sci. Comput. 35, 26699. (doi:10.1007/s10915-008-9190-z). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 29
    Macklin P, McDougall S, Anderson AR, Chaplain MA, Cristini V& Lowengrub J. 2009Multiscale modelling and nonlinear simulation of vascular tumor growth. J. Math. Biol. 58, 765-798. (doi:10.1007/s00285-008-0216-9). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 30
    Wu M, Frieboes HB, McDougall SR, Chaplain MA, Cristini V& Lowengrub JS. 2013Interstitiaalisen paineen vaikutus kasvaimen kasvuun: kytkeytyminen veren ja imusuoniston verenkiertojärjestelmään. J. Theor. Biol. 320, 131-151. (doi:10.1016/j.jtbi.2012.11.031). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 31
    Puliafito A, Hufnagel L, Neveu P, Streichan S, Sigal A, Fygenson DK& Shraiman BI. 2012Kollektiivinen ja yksittäisen solun käyttäytyminen epiteelin kontaktin estossa. Proc. Natl Acad. Sci. USA 109, 739-744. (doi:10.1073/pnas.1007809109). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 32
    Crowdy D. 2002On a class of geometry driven free boundary problems. SIAM. J. Appl. Math. 62, 945-964. (doi:10.1137/S0036139999357988). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 33
    Cummings LJ& King JR. 2004Hele-Shaw flow with a point sink: generic solution breakdown. Eur. J. Appl. Math. 15, 1-37. (doi:10.1017/S095679250400539X). Crossref, ISI, Google Scholar
  • 34
    Rogers KW& Schier AF. 2011Morfogeenigradientit: sukupolvesta tulkintaan. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 27, 377-407. (doi:10.1146/annurev-cellbio-092910-154148). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 35
    Danjo Y& Gipson IK. 1998Actin ’purse string’ filaments are anchored by E-cadherin-mediated adherens junctions at the leading edge of the epithelial wound, providing coordinated cell movement. J. Cell Sci. 111, 3323-3332. PubMed, ISI, Google Scholar
  • 36
    Haase I, Evans R, Pofahl R& Watt FM. 2003Keratinosyyttien muodon, migraation ja haavan epitelisaation säätely IGF-1- ja EGF-riippuvaisilla signaalireiteillä. J. Cell Sci. 116, 3227-3238. (doi:10.1242/jcs.00610). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 37
    Gabbiani G. 2003The myofibroblast in wound healing and fibrocontractive diseases. J. Pathol. 200, 500-503. (doi:10.1002/path.1427). Crossref, PubMed, ISI, Google Scholar
  • 38
    Ciarletta P& Ben Amar M. 2012Papillaariverkostot ihon dermal-epidermaalisessa liitoksessa: biomekaaninen malli. Mech. Res. Commun. 42, 68-76. (doi:10.1016/j.mechrescom.2011.12.001). Crossref, ISI, Google Scholar

.

Similar Posts

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.