Análise estatística de agregados celulares na formação de redes vasculares
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Autor(es)
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Luiz Orlando Ladeira
Marcelo Lobato Martins
Ana Maria de Paula
Allbens Atman Picardi Faria
Marcelo Lobato Martins
Ana Maria de Paula
Allbens Atman Picardi Faria
Resumo
Este trabalho apresenta um estudo experimental da vasculogênese em embriões de galinha sob uma perspectiva física. Utilizamos conceitos de física estatística associados à ciência de redes para caracterizar a auto-organização dos aglomerados celulares em uma rede única de capilares. Para isso, acompanhamos por meio da microscopia ótica de campo claro a formação da rede vascular durante 15 horas do desenvolvimento embrionário. Avaliamos a auto-organização dos aglomerados de células endoteliais em embriões controles, sem tratamento, e em embriões tratados com bevacizumabe (Avastin), um anticorpo que inibe a sinalização do fator de crescimento de célula endotelial [do inglês vascular endothelial growth factor (VEGF)]. Neste trabalho estudamos a vasculogênese no embrião controle, ou seja sem restrição de VEGF, e caracterizamos a formação da rede vascular discutindo os princípios físicos que conduzem o comportamento coletivo dos aglomerados celulares na formação da rede vascular. Além disso, caracterizamos as topologias das redes vasculares diminuindo a concentração de VEGF livre. Para isso, desenvolvemos uma metodologia para extrair a partir de imagens capturadas ao longo da formação da rede vascular: os padrões binários, as topologias de rede e as matrizes de adjacência. A caracterizacão dos padrões binários é realizada medindo-se a densidade de vasos, o número de aglomerados celulares e a densidade do maior aglomerado conectado. A partir das topologias de rede extraímos as matrizes de adjacência e caracterizamos a formação da rede vascular por meio das métricas usuais de rede, tais como: distribuição de graus, coefciente de agrupamento médio, menor caminho médio e coefcientede correlação dos graus entre outros. Essas análises permitiram monitorar a emergência do maior aglomerado conectado fornecendo evidências quantitativas dos efeitos disruptivos que o Avastin exerce sobre as topologias do tipo árvore exibidas nas redes vasculares dos embriões controles.
Abstract
In this work we present an experimental study of vasculogenesis in chicken embryos from a physics point of view. We use statistical physics and the network science to characterize the self-organization of cell clusters forming a single vascular network. The vascular network formation was observed by means bright-field microscopy during 15 hours of embryonic development. We quantity the self-organization of endothelial cell clusters forming a single vascular network in control embryos and in embryos treated with bevacizumab (Avastin), an antibody that inhibits the signalization of the vascular endothelial growth factor, VEGF. In this work our aim is twofold: first we propose to study vasculogenesis on control embryos, it means without VEGF restriction, in order to characterize the vascular network formation and discuss physical principles that may be driven the collective behavior in the system. Second, we characterize the vascular network formation applying a drug that binds to VEGF decreasing the free VEGF in extracellular matrix. In order to get quantitative parameters from the original images sequence we developed a methodology to extract binary patterns, network topologies and the adjacency matrices. This methodology allows us to make an accurate characterization of the endothelial cell clusters forming a single vascular network in control embryos and in Avastin-treated embryos. This characterization accounts for statistical parameters such as vessels density, cord length, number of cell clusters, fractal dimension and the largest cluster density. Also we characterized the system by means of the usual network metrics suchas: the degree distribution, average clustering coeficient, average short path length, and assortativity among others. From these studies we were able to monitor the growth of the largest connected cluster in the system and provide quantitative evidences of the disruptive effects that Avastin has on the tree structure of vascular networks.
Assunto
Física estatística, Microscopia ótica, Física, teses
Palavras-chave
Percolação, Vasculogênese, Estatística, Redes