Modelagem computacional da migração de células aderentes em meios porosos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Rodrigo Guerra Peixoto
Gregory Thomas Kitten
Gregory Thomas Kitten
Resumo
A migração celular é um processo importante em fenômenos biológicos como a cicatrização de feridas e metástase de tumores, e que pode ser estimulada por fatores mecânicos. A sensibilidade da célula a esses estímulos é denominada mechanosensing, e governa a resposta celular ao ambiente mecânico extracelular. O fluido intersticial, que preenche a matriz extracelular, também pode influenciar a resposta mecânica da célula devido às forças de cisalhamento. Uma ferramenta capaz de representar a influência do fluido intersticial na migração celular é a modelagem computacional. Assim, neste trabalho, é apresentando um modelo mecanobiológico de migração de células aderentes baseado na mechanosensing, que permite estudar a influência do fluido intersticial na resposta celular. Foi formulado, implementado e resolvido um sistema de equações diferenciais que representam o processo de migração celular por meio do método dos elementos finitos para três casos diferentes. O comportamento celular em uma matriz elástica (caso 1) e uma matriz poroelástica (caso 2) foi estudado. O terceiro caso foi o estudo da migração de células tumorais em um dispositivo de microfluídica com a presença de um fluxo de fluido intersticial e foi baseado em um estudo experimental prévio, que reportou o movimento das células contra o fluxo. Os resultados para os modelos elásticos e poroelástico (casos 1 e 2) apontaram para uma migração na direção das regiões mais deformadas da ECM, enquanto no estudo do dispositivo de microfluídica obtevese um comportamento de migração celular contra o fluxo. O modelo de mechanosensing desenvolvido foi capaz de predizer o comportamento biológico de células aderentes na presença de fluido intersticial, se mostrando uma ferramenta útil para o estudo de migração celular.
Abstract
Cell migration is an important process in biological phenomena such as wound healing and tumor metastasis, which can be stimulated by mechanical factors. The sensibility of the cell to these stimuli is denoted called mechanosensing, and governs the cellular response to the extracellular mechanical environment. Interstitial fluid, which fills the extracellular matrix, may also influence the mechanical response of the cell due to shear forces. One tool capable of representing the influence of the interstitial fluid on cell migration is computational modeling. In this work, it is presenting a mechanobiological model of adherent cell migration based on mechanosensing, including the influence of the interstitial fluid on the cellular response. A system of differential equations was formulated, implemented and solved that represent the cellular migration process using the finite element method for three different cases. The cellular behavior in an elastic matrix (case 1) and the poroelastic matrix (case 2) was studied. The third case was the study of tumor cells in a microfluidic device with the presence of an interstitial fluid flow and was based on a previous experimental study, which reported the movement of the cells against the flow. The results for elastic and poroelastic models (cases 1 e 2) showed to a migration towards the more strained regions of the ECM, while those of the microfluidic study reported a behavior of cell migration against the flow. The developed mechanosensing model was able to predict the biological behavior of adherent cells in the presence of interstitial fluid, proving to be a useful tool for the study of cell migration.
Assunto
Engenharia de estruturas, Células - Migração, Método dos elementos finitos
Palavras-chave
Migração celular, Mechanosensing, Fluido intersticial, Microfluídica, Método dos elementos finitos
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