ОСОБЛИВОСТІ УЛЬТРАСТРУКТУРНОЇ РЕОРГАНІЗАЦІЇ ПЕРЕДСЕРДНИХ КАРДІОМІОЦИТІВ ПРИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІЙ ТЕРМІЧНІЙ ТРАВМІ ТА ЗА УМОВ ЗАСТОСУВАННЯ ЛІОФІЛІЗОВАНИХ КСЕНОДЕРМОТРАНСПЛАНТАТІВ

In developed countries burn injury is one of the most common type of damage in peacetime. Treatment of burns is determined by complexity and multiplicity, thermal trauma – is one of the most dangerous, it leads to the destruction of complex proteins – the basis of cells and tissues of organs. The cardiovascular system plays a key role in the development and pathogenesis of burn disease, which develops after a thermal injury of the third degree. The aim of the study – to establish ultrastructural reorganization of atrial cardiomyocytes after severe thermal trauma and the combined application of lyophilized xenograft substrate. Materials and Methods. Burns of the third degree were applied under ketamine anesthesia with copper plates heated in boiling water to a temperature of 97–1000C. Euthanasia of animals was perfomed after ketamine anesthesia, by decapitation. The size of the lesions was 18–20 % of the guinea pigs epilated body surface. For electron microscopic examination, atrial pieces were taken, fixed in a 2.5 % glutaraldehyde solution, postfixed with 1 % osmium tetraoxide solution in phosphate buffer. Further processing was carried out according to the standard technique. Ultrathin sections made on LKB-3 ultramicrotome were contrasted with uranylacetate, lead citrate according to the Reynolds method and studied with a PEM-125 K electron microscope. Results and Discussion. During experiment submicroscopic changes of atrial cardiomyocytes after severe thermal trauma under condition of early necrectomy and the combined application of lyophilized xenograft substrate to cover the burn wound were investigated. It was established that after burning of the III degree there are significant ultrastructural changes in atrial cardiomyocytes, the damage degree of which increased in the dynamics of the experiment. In the stages of burn shock and early toxemia adaptive-compensatory processes are developing in the structures of the heart, and in the stages of late toxemia and septicotoxemia there are deep irreversible destructive changes. It was proved that the application of lyophilized xenograft substrate after the early necrectomy of damaged tissues prevents the development of destructive changes in the components of the heart in the early stages of the experiment, activates the regenerative processes of the contractile and endocrine atrial myocytes at the late stages of the experiment. Conclusions. The use of lyophilized xenograft substrate has a positive effect on the course of regenerative processes and improves the state of the atrial ultrastructure in the dynamics of the experiment. In the early stages of the experience of using lyophilized xenoskin, the degree of damage to the cytoplasmic membranes of atrial cardiomyocytes is reduced, and regeneration processes in the cells are activated.Ожоговая травма в развитых странах является одним из самых распространенных видов повреждений мирного времени. Лечение ожогов определяется сложностью и многоплановостью, термические повреждения – одни из самых опасных, они приводят к разрушению сложных белков – основы клеток и тканей органов. Ключевую роль в развитии и патогенезе ожоговой болезни, которая развивается после термической травмы III степени, играет сердечно-сосудистая система. Цель исследования – установить закономерности ультраструктурных изменений у предсердных кардиомиоцитах после тяжелой термической травмы в условиях применении лиофилизированных ксенодермотрансплантатов. Материалы и методы. Ожог III степени наносили под кетаминовым наркозом медными пластинами, нагретыми в кипяченой воде до температуры 97–100 0С. Эвтаназию животных проводили под кетаминовым наркозом путем декапитации. Размеры участков поражения составили 18–20 % эпилеванной поверхности тела морских свинок. Для электронно-микроскопического исследования взяты кусочки предсердий, фиксировали в 2,5 % растворе глютаральдегида, постфиксацию осуществляли 1 % раствором тетраокиса осмия на фосфатнома буфере. Дальнейшая обработка проводилась согласно общепринятой методики. Ультратонкие срезы, изготовленные на ультрамикротоме LKB-3, контрастировали уранилацетатом, цитратом свинца по методу Рейнольдса и изучали в электронном микроскопе ПЭМ-125 К. Результаты исследований и их обсуждение. В эксперименте исследованы субмикроскопические изменения предсердных кардиомиоцитов после тяжелой термической травмы в условиях проведения ранней некрэктомии и применении лиофилизированных ксенодермотрансплантатов для закрытия ожоговой раны. Установлено, что после ожога III степени происходят значительные ультраструктурные изменения в предсердных кардиомиоцитах, степень поражения которых нарастал в динамике эксперимента. В стадиях ожогового шока и ранней токсемии в структурах сердца развиваются приспособительно-компенсаторные процессы, а в стадиях поздней токсемии и септикотоксемии – наблюдаются глубокие необратимые деструктивные изменения. Доказано, что использование лиофилизированных ксенодермотрансплантатов после ранней некрэктомии пораженных тканей предотвращает развитие деструктивных изменений в компонентах сердца в ранние сроки опыта, активизирует регенераторные процессы сократительных и эндокринных миоцитов предсердий в поздние сроки эксперимента. Выводы. Применение лиофилизированных ксенодермотрансплантатов положительно влияет на течение регенераторных процессов и улучшает состояние ультраструктуры предсердия в динамике эксперимента. В ранние сроки опыта применения лиофилизированной ксенокожи уменьшает степень повреждения цитоплазматических мембран кардиомиоцитов предсердий, активизируются регенераторные процессы в клетках.Опікова травма у розвинених країнах є одним із найпоширеніших видів ушкоджень мирного часу. Лікування опіків визначається складністю та багатоплановістю, термічні ушкодження – одні з найнебезпечніших, вони призводять до руйнування складних білків – основи клітин і тканин органів. Ключову роль при розвитку та патогенезі опікової хвороби, що розвивається після термічної травми ІІІ ступеня, відіграє серцево-судинна система. Мета дослідження – встановити закономірності ультраструктурних змін у передсердних кардіоміоцитах після тяжкої термічної травми за умов застосування ліофілізованих ксенодермотрансплантатів. Матеріали і методи. Опік ІІІ ступеня наносили під кетаміновим наркозом мідними пластинами, нагрітими у кип’яченій воді до температури 97–100 оС. Евтаназію тварин проводили після кетамінового наркозу шляхом декапітації. Розміри ділянки ураження склали 18–20 % епільованої поверхні тіла морських свинок. Для електронно-мікроскопічного дослідження брали шматочки передсердь, фіксували у 2,5 % розчині глютаральдегіду, постфіксували 1 % розчином тетраокису осмію на фосфатному буфері. Подальшу обробку проводили згідно з загальноприйнятою методикою [3]. Ультратонкі зрізи, виготовлені на ультрамікротомі LKB-3, контрастували уранілацетатом, цитратом свинцю відповідно до методу Рейнольдса та вивчали в електронному мікроскопі ПЕМ-125 К. Результати досліджень та їх обговорення. В експерименті вивчено субмікроскопічні зміни передсердних кардіоміоцитів після тяжкої термічної травми в умовах проведення ранньої некректомії та застосуванні ліофілізованих ксенодермотрансплантів для закриття опікової рани. Встановлено, що після опіку III ступеня відбуваються значні ультраструктурні зміни в передсердних кардіоміоцитах, ступінь ураження яких збільшувався в динаміці експерименту. При стадіях опікового шоку та ранньої токсемії у структурах серця розвиваються пристосувально-компенсаторні процеси, а при стадіях пізньої токсемії та септикотоксемії – наявні глибокі незворотні деструктивні зміни. Доведено, що використання ліофілізованих ксенодермотрансплантатів після ранньої некректомії уражених тканин запобігає розвитку деструктивних змін у компонентах серця на ранніх термінах досліду, активізує регенераторні процеси скоротливих та ендокринних міоцитів передсердь на пізніх термінах експерименту. Висновки. Застосування ліофілізованих ксенодермотрансплантатів позитивно впливає на перебіг регенераторних процесів та покращує стан ультраструктури передсердя в динаміці експерименту. На ранніх термінах досліду застосування ліофілізованої ксеношкіри зменшує ступінь ушкодження цитоплазматичних мембран кардіоміоцитів передсердь, активізуються регенераторні процеси в клітинах

Variational Multiscale Stabilization and the Exponential Decay of Fine-scale Correctors

This paper addresses the variational multiscale stabilization of standard finite element methods for linear partial differential equations that exhibit multiscale features. The stabilization is of Petrov-Galerkin type with a standard finite element trial space and a problem-dependent test space based on pre-computed fine-scale correctors. The exponential decay of these correctors and their localisation to local cell problems is rigorously justified. The stabilization eliminates scale-dependent pre-asymptotic effects as they appear for standard finite element discretizations of highly oscillatory problems, e.g., the poor $L^2$ approximation in homogenization problems or the pollution effect in high-frequency acoustic scattering

On stability of discretizations of the Helmholtz equation (extended version)

We review the stability properties of several discretizations of the Helmholtz equation at large wavenumbers. For a model problem in a polygon, a complete $k$-explicit stability (including $k$-explicit stability of the continuous problem) and convergence theory for high order finite element methods is developed. In particular, quasi-optimality is shown for a fixed number of degrees of freedom per wavelength if the mesh size $h$ and the approximation order $p$ are selected such that $kh/p$ is sufficiently small and $p = O(\log k)$, and, additionally, appropriate mesh refinement is used near the vertices. We also review the stability properties of two classes of numerical schemes that use piecewise solutions of the homogeneous Helmholtz equation, namely, Least Squares methods and Discontinuous Galerkin (DG) methods. The latter includes the Ultra Weak Variational Formulation

Static condensation optimal port/interface reduction and error estimation for structural health monitoring

Having the application in structural health monitoring in mind, we propose reduced port spaces that exhibit an exponential convergence for static condensation procedures on structures with changing geometries for instance induced by newly detected defects. Those reduced port spaces generalize the port spaces introduced in [K. Smetana and A.T. Patera, SIAM J. Sci. Comput., 2016] to geometry changes and are optimal in the sense that they minimize the approximation error among all port spaces of the same dimension. Moreover, we show numerically that we can reuse port spaces that are constructed on a certain geometry also for the static condensation approximation on a significantly different geometry, making the optimal port spaces well suited for use in structural health monitoring

Plane wave discontinuous Galerkin methods: exponential convergence of the hp-version

We consider the two-dimensional Helmholtz equation with constant coefficients on a domain with piecewise analytic boundary, modelling the scattering of acoustic waves at a sound-soft obstacle. Our discretisation relies on the Trefftz-discontinuous Galerkin approach with plane wave basis functions on meshes with very general element shapes, geometrically graded towards domain corners. We prove exponential convergence of the discrete solution in terms of number of unknowns

On the use of Cartesian grid finite element code in structural optimization

[EN] The structural shape optimization is an iterative process built up by a higher level, which proposes the geometries to analyze, and a lower level which is in charge of analyzing, numerically, their structural response, usually by means of the Finite Element Method (FEM). These techniques normally report notorious advantages in an industrial environment, but their high computational cost is the main drawback. The efficiency of the global process requires the efficiency of both levels. This work focuses on the improvement of the efficiency of the lower level by using a methodology that uses a 2D linear elasticity code based on geometry-independent Cartesian grids, combined with FEM solution and recovery techniques, adapted to this framework. This mesh type simplifies the mesh generation and, in combination with a hierarchical data structure, reuses a great calculus amount. The recovery technique plays a double role: a) it is used in the Zienkiewicz-Zhu type error estimators allowing to quantify the FEM solution quality to guide the h-adaptive refinement process which minimizes the computational cost for a given accuracy; and b) it provides a solution, more accurate than the FEM one, that can be used. The numerical results, which include a comparative with a commercial code, show the effect of the proposed methodology improving the efficiency in the optimization process and in the solution quality.[ES] La optimización de forma estructural es un proceso iterativo constituido por un nivel superior que propone las geometrías a analizar, y un nivel inferior que evalúa numéricamente la respuesta estructural de estas, normalmente mediante el método de los elementos finitos (MEF). Estos procesos pueden reportar claros beneficios en entornos industriales pero su elevado coste computacional es un gran inconveniente. La eficiencia del proceso requiere eficiencia computacional en ambos niveles. Este trabajo se centra en la mejora del rendimiento del nivel inferior mediante una metodología que usa un código MEF para elasticidad 2D basado en mallas cartesianas independientes de la geometría, combinado con técnicas de reconstrucción de la solución a partir de la del MEF, adaptadas a este entorno. Estos mallados simplifican la generación de mallas y, con la estructura jerárquica adecuada reutilizan gran cantidad de cálculos. Las técnicas de reconstrucción juegan un doble papel: a) su uso en estimadores de error del tipo Zienkiewicz-Zhu permite cuantificar la calidad de la solución MEF para poder guiar el proceso de refinamiento h-adaptativo conducente a minimizar el coste computacional para una precisión dada, y b) proporcionan una solución, que puede ser utilizada en la práctica, más precisa que la del MEF. Los resultados numéricos, que incluyen una comparativa con un software comercial, muestran el efecto de la metodología propuesta sobre la mejora de la eficiencia de la optimización y de la calidad de la solución.Los autores agradecen el apoyo financiero recibido del proyecto de investigación DPI2010-20542 del Ministerio de Economía y Competitividad y del programa FPU (AP2008-01086), de la Universitat Politècnica de València y de la Generalitat Valenciana (PROMETEO/2012/023). Los autores también agradecen el apoyo ofrecido por el proyecto europeo INSIST (FP7-PEOPLE-2011-ITN).Nadal Soriano, E.; Ródenas García, JJ.; Sánchez Orgaz, EM.; López Real, S.; Martí Pellicer, JA. (2013). Sobre la utilización de códigos de elementos finitos basados en mallados cartesianos en optimización estructural. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería. 30(3):155-165. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2013.04.009S15516530