Um modelo mecanobiológico multiescala para remodelamento ósseo
Resumo
Resumo: O tecido osseo é um sistema dinâmico capaz de promover reparos na sua estrutura através de estímulos biomecanicos. Grupos de celulas especializadas, como osteoblastos e osteoclastos, sao responsaveis por formar e reabsorver a matriz óssea. A simulacao computacional desse tipo de sistema biologico e frequentemente utilizada na tentativa de se entender o funcionamento e organizacao dos componentes desse sistema. Varios modelos foram elaborados nas ultimas decadas empregando diversas estrategias de modelagem. Com frequencia, modelos mecanicistas utilizam sistemas de equacoes diferenciais para descrever o comportamento local das variaveis biologicas, enquanto outros, como os fenomenologicos, tendem a utilizar equacoes que descrevem o resultado final do comportamento, sem focar tanto em como ele ocorreu. O objetivo desta dissertacao e estudar o comportamento do modelo do remodelamento osseo proposto por Lemaire em um ambiente bidimensional atraves do metodo dos elementos finitos. O sistema foi estruturado por três tipos celulares, osteoblastos responsivos, osteoblastos ativos e osteoclastos, e quatro tipos de moleculas sinalizadoras, PTH, TGF-^, RANKL e OPG. Apos sua implementacao, o sistema foi testado e seu comportamento analisado pela correspondencia aos dados experimentais e aos resultados obtidos em outros modelos. Ao ser corroborado por esses dados, o sistema desenvolvido possibilita estudos mais avancados, como na adicao de novas variaveis biologicas ou de uma abordagem em um estado tridimensional Abstract: Bone tissue is a dynamical system able to repair its structure due to biomechanical stimuli. Specialized cell groups, such as osteoblast and osteoclasts, are responsible for producing and removing bone matrix. Computational simulations of biological systems are frequently employed in attempts to understand how these systems are organized and its organization. Several models have been published in the past decades, based on different modeling strategies. Models which focus on biological variables often rely on system of differential equations, while others, based on phenomenological studies, mostly are applied in procedures such as the finite elements method. The objective of this dissertation is to analyze the behavior of the bone remodeling model proposed by Lemaire in a two dimensional space with the finite elements method. The system was structured by three different cells, responsive active osteoblasts and osteoclasts, and four types of signaling molecules, PTH, TGF-^, RANKL and OPG. After its implementation, the system was tested and compared against experimental data and other models. As long as this new system is reliable, it can be upgraded to more advanced studies, with new biological variables or a three dimensional space.
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