Relating the Chondrocyte Gene Network to Growth Plate Morphology: From Genes to Phenotype

During endochondral ossification, chondrocyte growth and differentiation is controlled by many local signalling pathways. Due to crosstalks and feedback mechanisms, these interwoven pathways display a network like structure. In this study, a large-scale literature based logical model of the growth plate network was developed. The network is able to capture the different states (resting, proliferating and hypertrophic) that chondrocytes go through as they progress within the growth plate. In a first corroboration step, the effect of mutations in various signalling pathways of the growth plate network was investigated

A structural investigation of the cartilages associated with human long bones, vol.1

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Análise Biomecânica de Calo Ósseo usando Método Sem Malha

O osso é um tecido fisiologicamente dinâmico e que quando lesionado tem a capacidade de se reparar com o próprio tecido, não envolvendo um tecido cicatrizante, ao contrário de outros tecidos. Esta característica torna-o particularmente interessante para investigar os processos inerentes de fraturas ósseas. A maior parte das fraturas cicatriza através de uma sequência de processos de diferenciação de tecidos, desde os processos iniciais de hematoma, aos tecidos conjuntivos, e através da cartilagem ao osso. No entanto, qualquer falha neste processo pode resultar em uniões tardias, más uniões ou não uniões. A compreensão na totalidade deste processo ainda constitui um desafio. Os mecanismos que envolvem os processos de estimulação mecânica não se encontram bem compreendidos, em consequência da complexidade dos testes experimentais in vivo, que se tornam dependentes de dados in vitro, tornando difícil validar os pressupostos biológicos. Consequentemente, os modelos computacionais têm demonstrado serem bastante úteis e eficazes na investigação sobre a cicatrização óssea. Desta forma, com o presente trabalho foi possível analisar as condições mecânicas de um calo ósseo resultante de uma fratura, assim como compreender as metodologias de análise numérica aplicadas. O modelo teve por base um estudo in vivo de forma a obter uma variação temporal progressiva da forma do calo e das propriedades mecânicas durante a cicatrização óssea. Com este modelo obtiveram-se os campos de tensão e deformação nas diferentes fases do processo de regeneração, obtendo-se resultados que se encontram em conformidade com a literatura. Adicionalmente, foi aplicado um algoritmo de remodelação óssea em combinação com o Radial Point Interpolation Method (RPIM) que foi capaz de reproduzir as condições apresentadas pela respetiva imagem histológica nesta fase. Por último, espera-se que os trabalhos desenvolvidos neste âmbito possibilitem a conceção de estratégias mais precisas e eficazes tanto para o tratamento como para aceleração da cura. De forma complementar, encontram-se em desenvolvimento modelos específicos dos pacientes e que incorporam variabilidade genética.Bone is a physiologically dynamic tissue that, when injured, has the ability to repair itself, not involving scar tissue, unlike other tissues. This characteristic makes it particularly interesting for investigating the inherent processes of bone fractures. Most fractures heal through a sequence of tissue differentiation processes, from the initial hematoma, to connective tissues and through cartilage to bone. However, any failure in this process can result in a delayed union, mal-union or non-union. A complete understanding of this process is still a challenge. The mechanisms surrounding the mechanical stimulation processes are relatively poorly understood as a result of the complexity of in vivo experimental tests, which become dependent on in vitro data, making it difficult to validate the biological assumptions. Consequently, computational models have proven to be very useful and effective in the investigation of bone healing. Therefore, in the present work, it was possible to analyse the mechanical conditions of a bone callus as a consequence of a fracture and to understand the methodologies of numerical analysis applied. The model was based on an in vivo experimental study in order to obtain a progressive temporal variation of the callus shape and mechanical properties during bone healing. With this model, the stress and strain fields in the different phases of the regeneration process were obtained, where the results are in agreement with the literature. Additionally, a bone remodelling algorithm was applied in combination with the Radial Point Interpolation Method (RPIM), which was able to reproduce the conditions presented by the respective histological image at this stage. Finally, it is expected that the work developed in this area will enable the design of more accurate and effective strategies for both treatment and accelerating healing. Complementarily, patient-specific models and the incorporation of genetic variability are being developed

Turing patterns formation on surfaces under deformation: A total lagrangian method approach

En este artículo se desarrollan varios ejemplos numéricos sobre ecuaciones de reacción-difusión con dominio creciente. Para este fin se utiliza el modelo de reacción de Schnakenberg, con parámetros en el espacio de Turing. Por tanto se realizan ensayos numéricos sobre la aparición de los patrones de Turing en superficies que tienen alta tasa de deformación. Para la solución de las ecuaciones de reacción difusión se presenta un método de solución en superficies en 3 dimensiones mediante el método de los elementos finitos bajo el uso de la formulación lagrangiana total. Los resultados muestran que la formación de los patrones de Turing depende de las funciones de deformación de la superficie y la tasa a la cual se presenta el cambio de posición de cada punto del dominio donde se lleva a cabo la solución numérica. Estos resultados pueden esclarecer algunos fenómenos de cambio de patrón en la superficie de la piel de aquellos animales que exhiben manchas características.In this work we have developed several numerical examples of reaction-diffusion equations with growing domain. For this purpose we have used the Schnakenberg reaction model with parameters in space Turing. Therefore numerical tests are performed on the appearance of Turing patterns on surfaces that have high deformation rate. For the solution of reaction diffusion equations is presented a solution method on surfaces in three dimensions using the finite element method under the use of the total Lagrangian formulation. The results show that the formation of Turing patterns depends on the features of surface deformation and the rate at which change in position of each point of the domain. These results can explain some phenomena of change of pattern on the surface of the skin of animals that exhibit characteristic spots.Peer Reviewe